В тези времена на изкуствен интелект това вече не изглежда толкова пресилено и непостижимо – например, дори мобилен телефон вече може да разпознава лица или езици.
С по-сложни приложения обаче, компютрите все още бързо се изправят срещу собствените си ограничения. Една от причините за това е, че компютърът традиционно има отделни памети и процесорни единици – в резултат на което всички данни трябва да се изпращат напред и назад между двете. В това отношение, човешкият мозък е далеч по-напред от дори най-модерните компютри, защото обработва и съхранява информация на едно и също място – в синапсите или връзките между невроните, от които има един трилион в мозъка.
Международен екип от изследователи от университетите в Мюнстер (Германия), Оксфорд и Екситър (от Великобритания) вече са успели да разработят хардуер, който може да проправи пътя за създаване на компютри, които приличат на човешкия мозък. Учените са създали чип, съдържащ мрежа от изкуствени неврони, които работят със светлина и могат да имитират поведението на невроните и техните синапси.
Изследователите са успели да докажат, че такава оптична невросинаптична мрежа е в състояние да „научи“ информацията и да я използва като основа за изчисляване и разпознаване на модели – точно както мозъкът го прави. Тъй като системата функционира само със светлина, а не с традиционни електрони, тя може да обработва данните много пъти по-бързо.
„Тази интегрирана фотонна система е още в експериментален етап“, казва проф. Волфрам Перниче от университета в Мюнстер, водещ партньор в проучването. „Подходът може да се използва по-късно в много различни области за оценяване на модели с големи количества данни, например при медицински диагнози.“ Тази промяна на фазата може да се задейства от светлина, ако лазерът нагрее материала нагоре. „Тъй като материалът реагира толкова силно и драматично променя свойствата си, той е много подходящ за имитация на синапси и прехвърляне на импулси между два неврона,“ казва водещият автор Йоханес Фелдман, който извършва много от експериментите като част от докторската си дисертация в университета в Мюнстер.
В своето проучване авторите са успели за първи път в обединяването на много наноструктурирани материали за промяна на фазите в една невросинаптична мрежа. Изследователите разработват чип с четири изкуствени неврона и общо 60 синапса. Структурата на чипа – състояща се от различни слоеве – се основава на така наречената мултиплексна технология с дължина на вълната, която е процес, при който светлината се предава по различни канали в рамките на оптичния нанопровод.
Повечето от съществуващите подходи, свързани с така наречените невроморфни мрежи, се основават на електрониката, докато оптичните системи – в които се използват фотони, т.е. леки частици – са все още в начален стадий. Принципът, който германските и британските учени сега представят, работи по следния начин: оптичните вълнопроводи, които могат да предават светлина и могат да бъдат произведени в оптични микрочипове, са интегрирани с така наречените материали за промяна на фазите – които вече се намират днес на носители като презаписващи DVD-та. Тези материали за промяна на фазите се характеризират с факта, че те драстично променят своите оптични свойства, в зависимост от това дали са кристални – когато техните атоми се подреждат по правилен начин – или аморфни – когато техните атоми се организират по неправилен начин.
За да се тества степента, до която системата е способна да разпознава моделите, изследователите я „подхранват“ с информация под формата на светлинни импулси, използвайки два различни алгоритъма на машинно обучение. В този процес изкуствената система „се учи“ от примери и в крайна сметка може да ги обобщи. В случая с двата използвани алгоритъма – както в така нареченото наблюдавано, така и в безконтролно обучение – изкуствената мрежа в крайна сметка може, въз основа на дадени светлинни модели, да разпознае търсения модел – един от които е от четири последователни букви.
„Нашата система ни позволи да предприемем важна стъпка към създаването на компютърен хардуер, който се държи подобно на неврони и синапси в мозъка и който също може да работи по реални задачи“, казва Волфрам Перниче. „Като работим с фотони вместо с електрони, можем да използваме напълно познатия потенциал на оптичните технологии – не само за да прехвърлим данни, както досега, но и за да ги обработим и съхраним на едно място ”, добавя съавторът му, проф. Хариш Бхаскаран от Оксфордския университет.
Много конкретен пример е, че с помощта на такива хардуерни клетки, раковите клетки могат да бъдат идентифицирани автоматично. Необходимо е обаче да се свърши още работа, преди тези приложения да станат реалност. Изследователите трябва да увеличат броя на изкуствените неврони и синапси и да увеличат дълбочината на невронните мрежи. Това може да бъде направено например с оптични чипове, произведени с помощта на силициева технология. „Тази стъпка трябва да бъде предприета в съвместния проект на Европейския Съюз „Fun-COMP „чрез използване на нови технологии при производството на наночипове“, казва ръководителят на проекта Fun-COMP, проф. С. Дейвид от университета Екситър.
Изследването е публикувано в списание Nature.
