Technologia coraz bardziej zbliża się do superszybkiego świata obliczeń z wykorzystaniem sztucznej inteligencji. Ale czy świat jest odpowiednio wyposażony w sprzęt, który poradzi sobie z obciążeniem wynikającym z nowych przełomów technologicznych w AI?
„Kody inspirowane działaniem mózgu, będące częścią rewolucji AI, są w dużej mierze uruchamiane na tradycyjnych architekturach komputerowych z krzemu, które nie zostały do tego zaprojektowane,” tłumaczy Erica Carlson, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Purdue.
Zespół fizyków z Uniwersytetu Purdue, University of California San Diego (UCSD) i École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles (ESPCI) w Paryżu, uważa, że mogli odkryć sposób na przebudowę sprzętu… poprzez naśladowanie synaps, czyli połączeń nerwowych ludzkiego mózgu. Opublikowali swoje wyniki w pracy „Spatially Distributed Ramp Reversal Memory in VO2” w czasopiśmie „Advanced Electronic Materials”, które ukazało się na tylnej okładce wydania z października 2023 roku.
Nowe paradygmaty sprzętowe będą niezbędne, aby poradzić sobie ze złożonością przyszłych postępów w obliczeniach. Według Carlsona, głównego teoretyka tego badania, „architektury neuromorficzne dają nadzieję na procesory o niższym zużyciu energii, lepsze możliwości obliczeniowe, fundamentalnie różne tryby obliczeń, natywne uczenie się i lepsze rozpoznawanie wzorców.”
Architektura neuromorficzna to w zasadzie układy komputerowe naśladujące działanie mózgu. Neurony to komórki mózgowe, które przekazują informacje. Mają one małe przerwy na końcach, przez które sygnały przekazywane są z jednego neuronu do drugiego, nazywane synapsami. W biologicznych mózgach synapsy kodują pamięć. Zespół naukowców doszedł do wniosku, że tlenki wanadu są bardzo obiecujące dla obliczeń neuromorficznych, ponieważ mogą być wykorzystane do tworzenia zarówno sztucznych neuronów, jak i synaps.
„Rozdźwięk między sprzętem a oprogramowaniem jest źródłem ogromnych kosztów energetycznych szkolenia modeli AI, na przykład dużych modeli językowych takich jak ChatGPT,” wyjaśnia Carlson. „W przeciwieństwie do tego, architektury neuromorficzne obiecują niższe zużycie energii poprzez naśladowanie podstawowych składników mózgu: neuronów i synaps. Chociaż krzem jest dobry w przechowywaniu pamięci, materiał ten nie nadaje się łatwo do zachowań neuronopodobnych. Ostatecznie, zapewnienie skutecznych i wykonalnych rozwiązań sprzętowych neuromorficznych wymaga badań nad materiałami o radykalnie innym zachowaniu niż krzem – takimi, które mogą naturalnie naśladować synapsy i neurony. Niestety, konkurujące potrzeby projektowe sztucznych synaps i neuronów oznaczają, że większość materiałów, które dobrze sprawdzają się jako synaptory, zawodzi jako neuristory, i odwrotnie. Tylko kilka materiałów, głównie materiałów kwantowych, wykazało zdolność do wykonywania obu tych zadań.”
Zespół opierał się na niedawno odkrytym typie pamięci nieulotnej, napędzanej przez powtarzające się częściowe cykle temperaturowe w przejściu od izolatora do metalu. Tę pamięć odkryto w tlenkach wanadu.
Alexandre Zimmers, główny naukowiec eksperymentalny z Uniwersytetu Sorbonne i École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles w Paryżu, wyjaśnia: „Tylko kilka materiałów kwantowych jest dobrymi kandydatami na przyszłe urządzenia neuromorficzne, czyli naśladujące sztuczne synapsy i neurony. Po raz pierwszy, w jednym z nich, dwutlenku wanadu, możemy optycznie zobaczyć, co zmienia się w materiale, gdy działa on jako sztuczna synapsa. Odkryliśmy, że pamięć gromadzi się na całej powierzchni próbki, otwierając nowe możliwości kontrolowania tej właściwości.”
„Filmiki mikroskopowe pokazują, że zaskakująco, powtarzający się postęp i cofanie się domen metalicznych i izolacyjnych powoduje gromadzenie się pamięci na całej powierzchni próbki, a nie tylko na granicach domen,” wyjaśnia Carlson. „Pamięć pojawia się jako zmiany lokalnej temperatury, przy której materiał przechodzi z izolatora w metal podczas ogrzewania, lub z metalu w izolator podczas chłodzenia. Proponujemy, że te zmiany lokalnej temperatury przejścia gromadzą się dzięki preferencyjnej dyfuzji punktowych defektów do domen metalicznych, które są przeplatane przez izolator, gdy materiał jest częściowo cyklowany przez przejście.”
Teraz, gdy zespół stwierdził, że tlenki wanadu są potencjalnymi kandydatami na przyszłe urządzenia neuromorficzne, planują przejść do następnej fazy swoich badań.
„Gdy udało nam się znaleźć sposób na zobaczenie wnętrza tego materiału neuromorficznego, możemy lokalnie modyfikować i obserwować efekty, na przykład, bombardowania jonowego na powierzchni materiału,” wyjaśnia Zimmers. „Pozwoliłoby to nam kierować prąd elektryczny przez określone regiony próbki, gdzie efekt pamięciowy jest największy. Ma to potencjał do znaczącego wzmocnienia zachowania synaptycznego tego materiału neuromorficznego.”
Najnowsze filmy
