Raketový vzostup umelej inteligencie prináša pokroky v oblasti počítačového videnia a komplexného strategického uvažovania. Táto algoritmická revolúcia však prináša neudržateľnú spotrebu energie.
Ľudský mozog zostáva najúžasnejším a efektívnym výpočtovým strojom, aký existuje. Zdroj: iStock/CIPhotos
Najmodernejšie modely umelej inteligencie sa spoliehajú na dátové centrá s tisícmi procesorov na báze kremíka. Trénovanie a nasadzovanie týchto systémov si vyžaduje megawatty elektrickej energie, čo posúva globálne energetické siete na ich hranice.
Ľudský mozog tak zostáva najúžasnejším a efektívnym výpočtovým strojom, aký existuje. Mozog pracuje s energetickým rozpočtom približne 20 wattov, čo je energetický ekvivalent slabej žiarovky v domácnosti. Bez námahy spracováva senzorické vnemy v reálnom čase a stále sa učí.
Tradičné digitálne počítače využívajú von Neumannovu architektúru, ktorá oddeľuje procesorové jednotky od pamäťového úložiska, čo spôsobuje vysokú spotrebu energie, pretože dáta sa neprestajne prenášajú tam a späť. Okrem toho moderné čipy, ktoré sa snažia napodobniť mozgové funkcie pomocou štandardných kremíkových tranzistorov, za biologickými systémami zaostávajú.
Moderné čipy na báze kremíka využívajú milióny umelých neurónov. Konvenčným umelým neurónom chýba vnútorná komplexnosť. Sú binárne, rigidné a vyžadujú prepracované pomocné tranzistory na simuláciu jediného biologického akčného potenciálu.
Biologické systémy dosahujú mimoriadnu výpočtovú efektivitu vďaka kondenzácii takzvanej viacvrstvovej komplexnosti do jednotlivých buniek. Napríklad stomatogastrický nervový systém kôrovcov využíva malý obvod iba 30 vysoko komplexných neurónov na riadenie zložitých procesov celého tráviaceho traktu.
Preklenutie tejto medzery medzi syntetickými a biologickými neurónmi si vyžaduje odklon od rigidného kremíka.
V prelomovej štúdii publikovanej v časopise Nature Nanotechnology vedecký tím s využitím pokročilých nanomateriálov vyrobil umelé neuróny, ktoré nielen napodobňujú biologickú signalizáciu v prostredí počítača, ale sú schopné naladiť sa na jazyk biologického tkaniva. Tým vytvárajú funkčný obojsmerný komunikačný kanál so živými mozgovými bunkami.
Pamäťové rezistory syntetických neurónov
Jadrom tohto prelomu je nová elektronická súčiastka známa ako volatilný memristor so spätným mechanizmom. Zatiaľ čo konvenčné pamäťové rezistory (memristory) sú navrhnuté tak, aby si trvalo udržali svoje zmenené stavy odporu, volatilné memristory sa po odstránení budiacej sily vrátia do základného stavu. Toto prepínanie je schopné simulovať správanie živých neurónov.
Aby bola výroba syntetických neurónov nízkonákladová, laboratórium využilo chémiu dvojrozmerných nanomateriálov a vysoko presnú aerosólovú tlač. Tým sa vyvinuli špecializované elektronické atramenty, ktoré využívajú nanovrstvy na báze disulfidu molybdénu ako polovodič a grafén, ktorý slúži ako tenké elektrické kontakty.
Pri tradičnej výrobe polovodičov sa zvyšky organických polymérov považujú za kontaminanty a dôkladne sa odstraňujú. Výskumníci z novej štúdie však tieto kontaminanty využili vo svoj prospech.
V aktívnom kanáli zariadenia zanechali kontrolované stopy etylcelulózy – polyméru používaného na stabilizáciu nanovrstvových atramentov. Implementovaním etylcelulózy boli schopní vytvoriť biofyzikálny mechanizmus, ktorý je vysoko podobný nášmu mozgu.
Komplexnosť je základným prvkom biologických neurónových sietí
Vyššie spomenutá viacvrstvová komplexnosť je hlavnou výhodou pamäťového rezistora syntetických neurónov. Štandardné kremíkové tranzistory potrebujú na svoju funkciu veľké množstvo komponentov. Vnútorná termodynamika nanovrstvových sietí však umožňuje dosiahnuť identické neurovýpočtové vlastnosti použitím mikroskopického obvodu obsahujúceho iba dva memristory, dva rezistory a dva kondenzátory.
Predchádzajúce pokusy o vytvorenie komplexnejších systémov pomocou alternatívnych materiálov –napríklad tuhých oxidov prechodných kovov – trpeli časovým nesúladom. Tieto tuhé kryštalické zariadenia pracovali rýchlosťami tisíckrát vyššími ako biologické tkanivo alebo vyžadovali extrémne deštruktívne vnútorné prevádzkové teploty presahujúce 1 000 kelvinov.
Nové tlačené nanovrstvy fungujú pri fyziologicky bezpečných teplotách a generujú signálne frekvencie v rozsahu až 20 kHz. Po prvý raz sa tak umelý materiál zhoduje s formou a rýchlosťou biologických neurónových sietí.
Komunikácia so živým mozgovým tkanivom
Na demonštráciu funkcie týchto tlačených zariadení bolo potrebné extrahovať živé neuróny. Neurobiologický tím extrahoval z tkaniva mozgu myši Purkyňove neuróny – veľké vysoko rozvetvené mozgové bunky zodpovedné za motorickú koordináciu a presnosť. Výskumníci následne umiestnili tlačené umelé neuróny vedľa živých neurónov v tkanive myši a smerovali syntetické elektrické hroty priamo do živého tkaniva.
Biologické bunky neodmietli signál prichádzajúci zo syntetických neurónov práve vďaka načasovaniu, trvaniu a tvaru memristorových hrotov. Živé Purkyňove neuróny považovali digitálne vstupy za zmysluplnú synaptickú komunikáciu. Umelé neuróny úspešne spustili elektrickú aktivitu v skutočných bunkách a aktivovali biologické nervové obvody.
Využitie v medicíne a technológiách
Tieto syntetické zariadenia, tlačené na ultratenké vysoko flexibilné plasty, sa dokážu bez problémov prispôsobiť jemnej zakrivenej topografii živého mozgu bez vyvolania deštruktívnej imunitnej reakcie. Syntetické neuróny by sa v budúcnosti mohli integrovať u pacientov na prepojenie prerušenej miechy a obnovu poškodených senzorických dráh či zmiernenie neurodegeneratívnych defektov.
Dôsledky tlačených nanovrstvových memristorov siahajú ďaleko za oblasť lekárskej protetiky.
Energetické obmedzenia konvenčného kremíkového hardvéru nútia oblasti informatiky a materiálového inžinierstva hľadať štrukturálnu inšpiráciu v prírode. Organická dynamika tepelne aktivovaných nanomateriálových sietí dláždi cestu k superpočítačom s minimálnou spotrebou energie, ktoré sú inšpirované mozgom.
Zdroje: Nature, Science Daily
(RR)
