Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι μακράν η πιο εντυπωσιακή υπολογιστική συσκευή που είναι γνωστή στην επιστήμη.

Οι υπεραγώγιμοι νευρώνες θα μπορούσαν να ταιριάζουν με την ενεργειακή αποδοτικότητα του εγκεφάλου.

Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι μακράν η πιο εντυπωσιακή υπολογιστική συσκευή που είναι γνωστή στην επιστήμη. Τα νευρικά δίκτυα που αποτελούνται από υπεραγώγιμα νανοϋλικά μπορεί να έρθουν πολύ πιο κοντά στο πραγματικό πράγμα.

Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι μακράν η πιο εντυπωσιακή υπολογιστική συσκευή που είναι γνωστή στην επιστήμη. Ο εγκέφαλος λειτουργεί με ταχύτητα ρολογιού λίγων hertz, που μοιάζει με σαλιγκάρι σε σύγκριση με τους σύγχρονους μικροεπεξεργαστές που τρέχουν σε ταχύτητες gigahertz.

Αλλά παίρνει την εξουσία της πραγματοποιώντας πολλούς υπολογισμούς ταυτόχρονα – ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια υπολογισμών ανά δευτερόλεπτο. Αυτός ο παραλληλισμός επιτρέπει την εύκολη επίλυση των προβλημάτων που πρέπει να αντιμετωπίσουν οι συμβατικοί υπολογιστές: οδήγηση, περπάτημα, συνομιλία κ.ο.κ.

Πιο εντυπωσιακό εξακολουθεί να είναι ότι κάνει όλα αυτά τροφοδοτείται από λίγο περισσότερο από ένα μπολ κουάκερ. Αντίθετα, οι πιο ισχυροί υπερυπολογιστές στον κόσμο χρησιμοποιούν περισσότερη ισχύ από τις μεγάλες πόλεις.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι επιστήμονες υπολογιστών θέλουν να αντιγράψουν τις υπολογιστικές επιδόσεις του ανθρώπινου εγκεφάλου χρησιμοποιώντας νευρωνικά δίκτυα ως υπολογιστικά εργαλεία.

Αυτό είναι ευκολότερο να λέγεται παρά να γίνει. Τα συνηθισμένα μάρκες μπορούν να προγραμματιστούν ώστε να συμπεριφέρονται σαν νευρωνικά δίκτυα, αλλά αυτό είναι απαιτητικό υπολογιστικό και ενέργεια αποστράγγιση.

Αντ ‘αυτού, οι επιστήμονες υπολογιστών θέλουν να δημιουργήσουν τεχνητούς νευρώνες και να τις συνδέσουν μεταξύ τους σε δίκτυα τύπου εγκεφάλου. Αυτό έχει τη δυνατότητα να είναι σημαντικά πιο ενεργειακά αποδοτικό, αλλά κανείς δεν έχει καταλήξει σε ένα σχέδιο που έρχεται κοντά στην αποτελεσματικότητα του εγκεφάλου.

Μέχρι σήμερα. Εισάγετε την Emily Toomey στο MIT και μερικούς συναδέλφους που έχουν σχεδιάσει έναν υπεραγώγιμο νευρώνα κατασκευασμένο από νανοσωματίδια που με πολλούς τρόπους συμπεριφέρεται σαν ένα πραγματικό. Λένε ότι η συσκευή τους ταιριάζει με την ενεργειακή απόδοση του εγκεφάλου (τουλάχιστον θεωρητικά) και είναι το δομικό στοιχείο μιας νέας γενιάς υπεραγώγιμων νευρωνικών δικτύων που θα είναι πολύ πιο αποτελεσματική από τα συμβατικά υπολογιστικά μηχανήματα.

Superconducting action potentials

Πρώτο φόντο. Οι νευρώνες κωδικοποιούν πληροφορίες με τη μορφή ηλεκτρικών αιχμών ή δυναμικών δράσης, που ταξιδεύουν κατά μήκος του νεύρου. Σε δίκτυα τύπου εγκεφάλου, οι νευρώνες χωρίζονται μεταξύ τους με κενά που ονομάζονται συνάψεις.

Οι πληροφορίες μπορούν να μεταπηδήσουν σε αυτές τις συνάψεις, επηρεάζοντας έτσι άλλους νευρώνες, προκαλώντας τους να πυροδοτήσουν ή να τους εμποδίσουν με τρόπο που τους εμποδίζει να πυροδοτούν. Πράγματι, αυτό επιτρέπει στους νευρώνες να δρουν σαν λογικές πύλες, παράγοντας μία μόνο έξοδο σε απόκριση σε πολλαπλές εισόδους.

Οι βιολογικοί νευρώνες έχουν αρκετές σημαντικές ιδιότητες που το καθιστούν δυνατό. Για παράδειγμα, δεν πυροβολούν, εκτός εάν το σήμα εισόδου υπερβεί κάποιο επίπεδο κατωφλίου και δεν μπορούν να πυροδοτήσουν ξανά μέχρι να περάσει κάποιος χρόνος, μια έκταση που είναι γνωστή ως η ανερέθιστη περίοδος. Και ο χρόνος για μια ακίδα να ταξιδέψει κατά μήκος ενός αξόνου – το σώμα ενός νευρώνα – είναι επίσης πολύ σημαντική, αφού κωδικοποιεί την απόσταση που έχει περάσει η ακίδα.

Ένας τεχνητός νευρώνας πρέπει να είναι σε θέση να αναπαράγει όσο το δυνατόν περισσότερα από αυτά τα χαρακτηριστικά. Αυτό συνήθως απαιτεί σύνθετο κύκλωμα.

Αλλά ο Toomey και ο συνάδελφος επισημαίνουν ότι τα υπεραγώγιμα nanowires έχουν μια ιδιόμορφη μη γραμμική ιδιότητα που τους επιτρέπει να ενεργούν όπως οι νευρώνες. Αυτή η ιδιότητα οφείλεται στο γεγονός ότι η υπεραγωγιμότητα του nanowire διασπάται όταν το ρεύμα που διέρχεται από αυτό υπερβαίνει κάποια τιμή κατωφλίου.

Όταν συμβεί αυτό, η αντίσταση αυξάνεται ξαφνικά δημιουργώντας έναν παλμό τάσης. Αυτός ο παλμός είναι ανάλογος με το δυναμικό δράσης σε έναν νευρώνα. Χρησιμοποιώντας το για να ρυθμίσετε έναν ακόμη παλμό που παράγεται από ένα δεύτερο υπεραγώγιμο nanowire κάνει την προσομοίωση ακόμα πιο ρεαλιστική.

Αυτό δημιουργεί ένα απλό υπεραγώγιμο κύκλωμα που έχει πολλές από τις ιδιότητες των βιολογικών νευρώνων. Toomey και co έχουν δείξει ότι ένας υπεραγώγιμος νευρώνας έχει ένα κατώφλι πυροδότησης, μια ανθεκτική περίοδο και ένα χρόνο ταξιδιού που μπορεί να ρυθμιστεί σύμφωνα με τις ιδιότητες του κυκλώματος, μεταξύ άλλων ιδιοτήτων.

Βασικά, αυτός ο υπεραγωγικός νευρώνας μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ενεργοποίηση ή την αναστολή άλλων νευρώνων. Και αυτή η ιδιότητα «fanout» είναι το κλειδί για τη δημιουργία δικτύων. Αυτό είναι κάτι που άλλα σχέδια υπεραγωγών νευρώνων δεν κατάφεραν ποτέ να επιτύχουν.

Και επειδή τα υπεραγώγιμα κυκλώματα χρησιμοποιούν πολύ λίγη ενέργεια, οι υπολογισμοί του Toomey και του co δείχνουν ότι αυτό το είδος υπεραγωγικού νευρωνικού δικτύου θα μπορούσε να ταιριάζει με την αποτελεσματικότητα των βιολογικών νευρωνικών δικτύων.

Ο αριθμός των αξιών είναι ο αριθμός των συναπτικών λειτουργιών που μπορεί να κάνει το νευρικό δίκτυο κάθε δευτερόλεπτο χρησιμοποιώντας ένα ρεύμα ισχύος. Ο Toomey και ο ίδιος λένε ότι το προτεινόμενο δίκτυο θα πρέπει να είναι σε θέση να ταιριάζει με τον ανθρώπινο εγκέφαλο στη διαχείριση περίπου 10 14 συναπτικών πράξεων ανά δευτερόλεπτο ανά watt. «Ο νευρώνας nanowire μπορεί να είναι μια εξαιρετικά ανταγωνιστική τεχνολογία από μια δύναμη και ταχύτητα προοπτική», λένε.

Φυσικά, υπάρχουν περιορισμοί. Ίσως το πιο σημαντικό είναι ότι ο υπεραγώγιμος νευρώνας μπορεί να συνδεθεί με μία μόνο χούφτα άλλων νευρώνων. Αντιθέτως, κάθε νευρώνας στον ανθρώπινο εγκέφαλο συνδέεται με χιλιάδες γείτονες. Και προς το παρόν, η σχεδίαση του Toomey και του συνεργάτη παραμένει απλά αυτό.

Παρ ‘όλα αυτά, οι προσομοιώσεις είναι ελπιδοφόρες. «Η ανάλυση που γίνεται εδώ υποδηλώνει ότι ο νευρώνας nanowire είναι ένας υποσχόμενος υποψήφιος για την πρόοδο τεχνητών νευρωνικών δικτύων χαμηλής ισχύος», λέει η ομάδα.

Και το δυναμικό είναι σημαντικό. Toomey και co λένε ότι τα υπεραγώγιμα νευρωνικά δίκτυα θα μπορούσαν να είναι η βάση ενός εξ ολοκλήρου νέου υλικού υπολογιστών με τη μορφή υπεραγώγιμων νευρωνικών δικτύων. Αυτά τα τσιπ θα μπορούσαν να δικτυωθούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας υπεραγωγική διασύνδεση, η οποία δεν θα είχε ως αποτέλεσμα τη διαρροή θερμότητας.

«Το αποτέλεσμα θα είναι ένας μεγάλης κλίμακας νευρομορφικός επεξεργαστής ο οποίος θα μπορούσε να εκπαιδευτεί ως ένα νευρωνικό δίκτυο για να εκτελέσει εργασίες όπως η αναγνώριση προτύπων ή να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση της δυναμικής ανάπτυξης ενός μεγάλου βιολογικώς ρεαλιστικού δικτύου», λένε.

Αυτό είναι μια ενδιαφέρουσα εργασία, αν και χρειάζεται μια επίδειξη απόδειξης της αρχής πριν ο ενθουσιασμός μπορεί να αρχίσει να χτίζεται.

πηγή: technologyreview.com