Аксоны в ЦПУ?! Вычисления на грани хаоса.

Источник.

Любой электрический сигнал, вследствие естественного сопротивления проводника, по которому он проходит, теряет свою амплитуду (силу, уровень, громкость — называть можно по-разному в зависимости от обстоятельств). Сегодня компенсация таких потерь строится на многократном периодическом усилении сигнала на всём его пути: цепочка из нескольких звеньев проводник — усилитель шаг за шагом нивелирует затухания сигнала, восстанавливая его до начального уровня. Этому логичному, но всё-таки примитивному решению уже, как говорится, сто лет в обед. Да и не велика беда, вроде, но в связи с чрезвычайно высокой плотностью современных микросхем, такая конструкция межткомпонентных соединений серьёзно ограничивает развитие чипов и их производительность.

То ли дело мозг! Аксоны, обеспечивающие обмен импульсами между нейронами, странным образом поддерживают амплитуду сигнала постоянной на всём пути его следования. Если бы мы могли заменить цепочки с усилителями на что-то подобное, быстродействие процессоров наших вычислительных систем заметно бы возросло.

И вот, черпая вдохновение у природы, объединённая команда исследователей из Национальной лаборатории Сандиа в Ливерморе, Техасского A & M и Стэнфордского университетов обнаружила класс материалов, которые ведут себя подобно аксонам. А именно — самопроизвольно усиливают проводимые ими электрические импульсы. Авторы называют находку «первой в своём роде», надеясь, что дальнейшие поиски могут дать более широкий выбор решений, подходящих для применения в ИТ, однако уже сейчас заявляют о потенциале своей работы оказать решающее значение на будущее вычислений вообще и искусственного интеллекта в частности.  

Исследование было опубликовано в Nature.  

Такой оптимизм базируется на довольно крепком основании: современные процессоры (и центральные, и графические) содержат до 30 миль (около 48 км) тонких медных проводов, по которым электрические сигналы перемещаются внутри чипа. Только представьте сколько и как быстро может быть накоплено потерь без постоянного поддержания усилительных действий. Таким образом на поддержание целостности импульса не только выделяются грандиозные энергоресурсы, но и тратится немало времени, что колоссально снижает общее быстродействие устройства.

С аксоноподобными же проводниками мы не только нивелируем эти издержки, но и получим некоторые другие архитектурные преимущества.

«Часто мы хотим передать сигнал данных из одного места в другое, более удалённое, — поясняет ведущий автор работы доктор Тим Браун, аспирант Национальной лаборатории Сандиа, бывший докторант по материаловедению и инженерии Texas A & M. — Например, нам может потребоваться передать электрический импульс от края чипа центрального процессора к транзисторам, расположенным ближе к его центру. Даже для самых электропроводных металлов сопротивление при комнатной температуре постоянно рассеивает передаваемые сигналы, поэтому мы обычно врезаемся в линию передачи и усиливаем сигнал, что требует энергии, времени и пространства. Биология работает по-другому: некоторые сигналы в мозге также передаются на сантиметровые расстояния, но через аксоны, сделанные из гораздо более резистивного органического вещества, и никогда не прерывая и не усиливая сигналы». 

a. Преобладающее решение для передачи сигнала на кристалле, при котором путь прохождения сигнала прерывается чередой повторителей или усилителей. b. Передача с усилением сигнала непрерывно на протяжении всего пути. c. Работа аксона в нейронной сети. d. Электронная версия аксоноподобной передачи активного сигнала на основе активной среды. Источник.

Адъюнкт-профессор кафедры материаловедения и инженерии Texas A & M доктор Патрик Шамбергер уподобляет аксоны целым магистралям связи из волоконно-оптических кабелей. Таким же образом можно охарактеризовать и материалы, обнаруженные в этом исследовании. Их ключевой особенностью является то, что они существуют в подготовленном состоянии, посредством которого и обеспечивается самопроизвольное усиление пульсации напряжения проводимого ими сигнала.

Смоделировать это исключительное поведение аксона удалось с помощью электронного фазового перехода в оксиде лантана-кобальта. Обнаружилось, что запускающее такой переход нагревание делает данный материал гораздо более электропроводным. Но главное, что для такого поведения данному оксиду достаточно температуры, выделяемой самим прохождением сигнала через материал. Таким образом запускается положительная обратная связь: проходящий сигнал нагревает проводник, который вследствие этого усиливает сигнал. 

В результате получившийся имитатор аксона приобретает интересный набор экзотических характеристик, которые вы не встретите в обычных пассивных компонентах вроде резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Помимо описанного усиления небольших возмущений вследствие возрастания отрицательных электрических сопротивлений, авторы исследования отмечают необычно большие фазовые сдвиги в сигналах переменного тока. 

По словам Шамбергера, эти материалы уникальны, потому что они существуют в полустабильном «состоянии Златовласки». В этом шатком равновесии электрические импульсы не затухают, не проявляют теплового разгона и не разрушаются. Вместо этого удержание материала в условиях постоянного тока, на котором работают все наши электронные системы, заставит его естественным образом колебаться. Таким образом данное поведение определённо можно использовать для создания скачков напряжения и усиления сигнала.  

«По сути, мы используем внутреннюю нестабильность материала, которая продолжает усиливать электронный импульс по мере его прохождения по линии передачи, — поясняет инженер-материаловед и делает важное дополнение: — Хотя такое поведение было теоретически предсказано нашим соавтором доктором Стэном Уильямсом, это первое подтверждение его существования».  

«Впервые идея активной линии электропередачи на грани хаоса пришла мне в голову 12 лет назад, — говорит доктор Стэн Уильямс, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Texas A & M, соавтор исследования, директор Центра передовых исследований в области нелинейной динамики нейронов (REMIND). — Чтобы воплотить это в реальность эксперимента, потребовались ресурсы, опыт и командная работа». 

В современном мире стремительно растущего спроса на энергоресурсы и мощность вычислительных систем полученные результаты исследования могут сыграть одну из важнейших на сегодня ролей для будущего технологий. Ожидается, что в США к 2030 году центры обработки данных будут использовать 8% всей расходуемой страной электроэнергии. Однако искусственный интеллект может внести в эти прогнозы весьма значительные корректировки, резко увеличив спрос.

Для разработки и производства остро необходимых уже сегодня работоспособных и функциональных масштабируемых реконфигурируемых вычислительных архитектур, нам необходимы новые в своём обосновании парадигмы. В условиях приближающихся фундаментальных пределов энергоэффективности и скорости обработки данных, мы всё больше идём на компромиссы между производительностью и целеполаганием.

Обеспечение обучения в режиме реального времени и встраиваемый в наши повседневные устройства интеллект, имитирующий специфические нейронные и синаптические функции человеческого мозга, конечно, могут вывести наши возможности на недосягаемый прежде уровень. Однако для этого крайне необходимо развитие понимания динамических материалов вообще и найденного решения в частности. В долгосрочной перспективе это приблизит нас к созданию более эффективных архитектур для удовлетворения огромных требований наших всё возрастающих вычислительных аппетитов. 

АРМК, по материалам Texas A & M Engineering.