20 окт 2023 423

Вычислительное оборудование будущего нуждается в новой теоретической базе

Во всём мире идёт поиск новых материалов для создания микрочипов, основанных не на классических транзисторах, а на более энергосберегающих компонентах, подобных веществам, из которых состоит наш мозг. Проблема заключается в том, что если для классических транзисторных цифровых компьютеров уже существует твердая теоретическая база, то для создания компьютеров, подобных мозгу, руководств всё ещё нет.

Компьютеры до сих пор опирались на стабильные переключатели, которые могут быть только во включенном или выключенном состоянии. На протяжении десятилетий технологии шли вперед благодаря постоянному уменьшению размеров транзисторов, но теперь этот процесс приближается к физическому пределу. Вот почему ученые ищут новые материалы для создания более универсальных переключателей, которые могли бы использовать больше значений, чем просто цифровые 0 или 1.

Гереберт Йегер — исследователь из Центра когнитивных систем и материалов Гронингена (CogniGron), цель которого — разработка нейроморфных компьютеров. CogniGron объединяет ученых, занимающихся экспериментальными материалами, и специалистов по теоретическому моделированию из таких разных областей, как математика, информатика и искусственный интеллект.

Общая теория физических вычислительных систем будет включать существующие теории как частные случаи.

Сотрудничество с материаловедами позволило Йегеру лучше понять проблемы, с которыми они сталкиваются при попытке создать новые вычислительные материалы. Однако исследователям пришлось прийти к неутешительным выводам: на данный момент не существует устоявшейся теории, помогающей использовать нецифровые физические эффекты в вычислительных системах.

Нелогичный мозг

Наш мозг не является логической системой. Мы можем рассуждать логически, но это только малая часть того, что представляет собой деятельность мозга. Большую часть времени ему приходится решать, как поднять руку к чашке или поздороваться с коллегой, проходящим по коридору.

Большая часть обработки информации, которую выполняет наш мозг, не является логической, она непрерывна и динамична. Трудно формализовать это в цифровом компьютере. Кроме того, наши мозги продолжают работать несмотря на колебания кровяного давления, внешней температуры или гормонального баланса. Как можно создать такой же универсальный и надежный компьютер? Сам факт нашего существования доказывает, что это возможно

— Гереберт Йегер, исследователь Университета Гронингена.

В статье, опубликованной в Nature Communications, Йегер и его коллеги представляют набросок того, как могла бы выглядеть теория для нецифровых компьютеров. Они предполагают, что вместо стабильных переключателей 0/1 теория должна работать с непрерывными, аналоговыми сигналами. Она также должна учитывать множество нестандартных наноразмерных физических эффектов, которые исследуют материаловеды.

Неповторимость и чувствительность

Еще один важный вывод, сделанный при сотрудничестве с материаловедами, заключается в том, что устройства из новых материалов будет гораздо сложнее создавать, в отличие от цифровых компьютеров. Наш мозг состоит из нейронов, каждый из которых уникален, а значит невозможно будет спроектировать один элемент и копировать его для всей системы. Помимо прочего, подобные устройства часто хрупкие и чувствительные к температуре, и теория нейроморфного вычисления должна будет учитывать эти характеристики.

Из-за того что проблемы, возникающие при проектировании нецифровых компьютеров, находятся в разных научных областях, исследователи пришли к выводу, что теория, лежащая в основе нейроморфного вычисления, не будет единственной теорией, а будет состоять из многих подтеорий. Создание такого теоретического описания нейроморфных компьютеров потребует тесного сотрудничества экспериментальных материаловедов и формальных теоретических моделировщиков.