Технологию «химического» компьютера для использования искусственного интеллекта создали исследователи СПбГЭТУ «ЛЭТИ». В основу разработки легла уточненная математическая модель реакции Белоусова-Жаботинского. Инновация может положить начало появлению вычислительных устройств на новых физических принципах.
Развитие ИИ требует увеличения вычислительных мощностей компьютеров, объема их памяти, стоимости, размеров и энергопотребления. Поэтому ученые пробуют создавать вычислительные устройства на новых физических принципах.
Прототип компьютера, созданного в ЛЭТИ, основан на реакции Белоусова-Жаботинского. В состав ее реагентов входят серная кислота, малоновая кислота, вода и ферроин. Сложность и изменчивость динамики химического процесса позволяют положить его в основу вычислительной технологии.
«После смешивания реагентов в течение определенного времени ряд параметров раствора меняется колебательно, например, цвет превращается из красного в синий и наоборот. Частота колебаний зависит как от концентрации химических реагентов, так и от внешних воздействий, например, скорости перемешивания раствора. <…> Возможность управления подобной реакцией и ее точного моделирования может использоваться для создания компьютера нового типа», — объяснил доцент кафедры систем автоматизированного проектирования, старший научный сотрудник Молодежного научно-исследовательского института СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Тимур Искандарович Каримов.
В 1960-е гг. поведение раствора было описано простой математической моделью. Но современные ученые характеризуют динамику реакции Белоусова-Жаботинского как хаотическую, что требует поиска более точного описания.
Чтобы разработать уточненную модель реакции, эксперты изучили поведение реактивов при постоянном и периодическом перемешивании раствора с разной частотой вращения лопатки. Для этого исследователи создали установку из восьми пробирок-кювет, в которых протекала реакция. К каждой пробирке подключили электрическую лопатку для перемешивания и оптический датчик, который измерял прозрачность раствора. В результате была получена система из связанных друг с другом пробирок, представляющая собой искусственную нейросеть, где каждая пробирка играет роль отдельного нейрона.
Одна из ячеек компьютера внутри.
Фото предоставлено Центром научных коммуникаций СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
«Химический компьютер может работать так: ввод информации осуществляется перемешиванием в заданных пробирках, затем отслеживаются колебания во всем массиве пробирок оптическими датчиками, затем производится анализ этой динамики с помощью внешней нейросети. Например, чтобы ввести двоичное число “10”, мы можем в течение некоторого времени перемешивать пробирку номер 1 и не перемешивать пробирку номер 2. Опыты с массивом связанных пробирок, проделанные зарубежными коллегами, показывают, что такой резервуар действительно имеет память», — уточнила ассистент кафедры САПР, старший научный сотрудник молодежного НИИ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Екатерина Евгеньевна Копец.
Как отметил руководитель лаборатории робототехники и компьютерного творчества МолНИИ, доцент кафедры САПР СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Артур Искандарович Каримов, создание математического описания реакции позволит изучать технологию «химических» нейросетей и продумывать их разработку в виде компьютерных моделей, что важно, поскольку эксперименты с реальными реагентами сложны и обладают плохой повторяемостью. Исследователи не собираются останавливаться на достигнутом.
«Следующая веха — создать математическую модель уже всего химического компьютера», — поделился с «Научной Россией» Т.И. Каримов.
В дальнейшем инновация может оказать пользу при создании физических нейросетей — компьютерных систем, которые одновременно хранят и обрабатывают информацию.
«Химический компьютер — это устройство для резервуарных вычислений, так называется одна из разновидностей нейросетей. А нейросети сейчас применяются повсеместно: анализ и генерация изображений и текстов, предсказание на основе данных, автономные роботы и многое другое. При этом множество задач до сих пор довольно плохо решается существующими нейросетями, самый банальный пример — автономные автомобили. И именно для таких задач в первую очередь и будет востребована новая аппаратура», — пояснил Т.И. Каримов. Ученый также рассказал нашему корреспонденту о важнейших чертах, которые отличают химический компьютер от электронных аналогов.
«Архитектура химического компьютера устроена не так, как учат на информатике в школе (есть отдельный процессор, есть отдельная память), а совершенно по-другому. Он по устройству похож на мозг, то есть биологическую нейронную сеть. Там нет разделения на память и процессор, нейроны выполняют и хранение, и обработку каждый своего небольшого кусочка данных. Соответственно, такой компьютер будет гораздо эффективнее классического выполнять функции нейронной сети. Надо сказать, что разработки нейроморфных архитектур идут в разных направлениях — используется и специальная электроника, и сверхпроводящие устройства. Химическая реализация — только одна из возможных, но она интересна тем, что требует очень мало электроэнергии для работы. Это важно: по некоторым данным, до трети всего вырабатываемого электричества в мире сегодня используется для питания компьютерной техники, — объяснил Тимур Искандарович. — Второй аспект связан с концепцией, согласно которой электронные компьютеры наиболее эффективны там, где речь идет о работе с электрическими сигналами. Чтобы работать с другими сигналами, требуется преобразование этих сигналов сначала в электрические. А большое количество обрабатываемых данных сегодня имеют химическую природу. Так что для анализа и классификации химических сигналов представляется естественным разрабатывать компьютер, который может обрабатывать их напрямую».
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Chaos, Solitons and Fractals (IF=7.8). Проект выполнен при поддержке гранта РНФ (№ 22-19-00573).
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.
Источник информации и фото на превью и в тексте: Центр научных коммуникаций СПбГЭТУ «ЛЭТИ».