ტვინის მსგავსი კომპიუტერები რთულ მათემატიკურ განტოლებებს ხსნიან: ახალი ნაბიჯი ნეირომორფული სუპერკომპიუტერებისკენ

ადამიანის ტვინის სტრუქტურის მიბაძვით შექმნილი კომპიუტერები მოულოდნელ შესაძლებლობებს ავლენენ. მათ შეუძლიათ ამოხსნან ზოგიერთი რთული მათემატიკური განტოლება, რომელიც მრავალი ძირითადი სამეცნიერო და საინჟინრო პრობლემის გულში დევს. კვლევაში, რომელიც გამოქვეყნდა ჟურნალ Nature Machine Intelligence-ში, სანდიას ეროვნული ლაბორატორიების გამომთვლელმა ნევრომეცნიერებმა, ბრედ თეილმანმა და ბრედ აიმონემ, წარმოადგინეს ახალი ალგორითმი, რომელიც ნეირომორფულ აპარატურას ნაწილობრივი დიფერენციალური განტოლებების, ანუ PDEs-ის ამოხსნის საშუალებას აძლევს. PDEs არის მათემატიკური საფუძველი ისეთი მოვლენების მოდელირებისთვის, როგორიცაა სითხის დინამიკა, ელექტრომაგნიტური ველები და სტრუქტურული მექანიკა. შედეგები აჩვენებს, რომ ნეირომორფულ სისტემებს შეუძლიათ ამ განტოლებების ეფექტურად დამუშავება. ეს მიღწევა ხელს შეუწყობს პირველი ნეირომორფული სუპერკომპიუტერის შექმნას, რაც ენერგოეფექტური გამოთვლებისკენ ახალ გზას გახსნის ეროვნული უსაფრთხოებისა და სხვა კრიტიკული პროგრამებისთვის. კვლევა დაფინანსდა ენერგეტიკის დეპარტამენტის მეცნიერების ოფისის მიერ, მოწინავე სამეცნიერო გამოთვლების კვლევისა და ფუნდამენტური ენერგეტიკული მეცნიერებების პროგრამების მეშვეობით, ასევე ბირთვული უსაფრთხოების ეროვნული ადმინისტრაციის მოწინავე სიმულაციისა და გამოთვლების პროგრამის მიერ. **ნაწილობრივი დიფერენციალური განტოლებების ამოხსნა ტვინის მსგავსი აპარატურით** ნაწილობრივი დიფერენციალური განტოლებები (PDEs) აუცილებელია რეალური სამყაროს სისტემების სიმულაციისთვის. ისინი გამოიყენება ამინდის პროგნოზირებისთვის, მასალების სტრესზე რეაგირების ანალიზისთვის და რთული ფიზიკური პროცესების მოდელირებისთვის. ტრადიციულად, PDEs-ის ამოხსნა უზარმაზარ გამოთვლით ძალას მოითხოვს. ნეირომორფული კომპიუტერები პრობლემას სხვაგვარად უდგებიან, ინფორმაციას ისე ამუშავებენ, როგორც ტვინი ფუნქციონირებს. „ჩვენ ახლა ვიწყებთ ისეთი გამომთვლელი სისტემების მიღებას, რომლებსაც ინტელექტის მსგავსი ქცევის გამოვლენა შეუძლიათ. მაგრამ ისინი საერთოდ არ ჰგვანან ტვინს, და რესურსების რაოდენობა, რაც მათ სჭირდებათ, გულახდილად რომ ვთქვათ, აბსურდულია,“ – განაცხადა თეილმანმა. წლების განმავლობაში, ნეირომორფული სისტემები ძირითადად განიხილებოდა, როგორც ნიმუშების ამოცნობის ან ხელოვნური ნერვული ქსელების დაჩქარების ინსტრუმენტები. ცოტას თუ ელოდა, რომ ისინი ისეთ მათემატიკურად მკაცრ პრობლემებს გაუმკლავდებოდნენ, როგორიცაა PDEs, რომლებსაც, როგორც წესი, მსხვილი სუპერკომპიუტერები ამუშავებენ. აიმონე და თეილმანი შედეგებით არ გაკვირვებულან. ისინი ამტკიცებენ, რომ ადამიანის ტვინი რეგულარულად ასრულებს უაღრესად რთულ გამოთვლებს, მაშინაც კი, თუ ადამიანები ამას ვერ აცნობიერებენ. „აიღეთ ნებისმიერი მოტორული კონტროლის დავალება – მაგალითად, ჩოგბურთის ბურთისთვის დარტყმა ან ბეისბოლის ბურთისთვის ბიტით დარტყმა,“ – თქვა აიმონემ. „ეს ძალიან დახვეწილი გამოთვლებია. ეს არის ექსასკალის დონის პრობლემები, რომელთა გაკეთებაც ჩვენს ტვინს ძალიან იაფად შეუძლია.“ **ენერგოეფექტური გამოთვლები ეროვნული უსაფრთხოებისთვის** ამ აღმოჩენებს დიდი მნიშვნელობა შეიძლება ჰქონდეს ბირთვული უსაფრთხოების ეროვნული ადმინისტრაციისთვის, რომელიც პასუხისმგებელია ქვეყნის ბირთვული შეკავების შენარჩუნებაზე. ბირთვული იარაღის კომპლექსში გამოყენებული სუპერკომპიუტერები ელექტროენერგიის უზარმაზარ რაოდენობას მოიხმარენ ბირთვული სისტემების ფიზიკისა და სხვა მაღალი რისკის სცენარების სიმულაციისთვის. ნეირომორფულ გამოთვლებს შეუძლიათ მნიშვნელოვნად შეამცირონ ენერგიის მოხმარება, თანაც ძლიერი გამოთვლითი შესრულების შენარჩუნებით. ტვინის შთაგონებით PDEs-ის ამოხსნით, ეს სისტემები მიუთითებს, რომ დიდი სიმულაციების გაშვება გაცილებით ნაკლები ენერგიით შეიძლება, ვიდრე ჩვეულებრივ სუპერკომპიუტერებს სჭირდებათ. „შეგიძლიათ ნამდვილი ფიზიკის პრობლემები ტვინის მსგავსი გამოთვლებით ამოხსნათ,“ – თქვა აიმონემ. „ეს არის ის, რასაც არ ელოდებოდით, რადგან ადამიანების ინტუიცია საპირისპირო მიმართულებით მიდის. და ფაქტობრივად, ეს ინტუიცია ხშირად მცდარია.“ გუნდი ვარაუდობს, რომ ნეირომორფული სუპერკომპიუტერები საბოლოოდ გახდება ცენტრალური სანდიას მისიისთვის – ეროვნული უსაფრთხოების დაცვისთვის. **რას ავლენს ნეირომორფული გამოთვლები ტვინის შესახებ** საინჟინრო მიღწევების გარდა, კვლევა ეხება ინტელექტის და იმის ღრმა კითხვებსაც, თუ როგორ ასრულებს ტვინი გამოთვლებს. თეილმანისა და აიმონეს მიერ შემუშავებული ალგორითმი მჭიდროდ ასახავს კორტიკალური ქსელების სტრუქტურასა და ქცევას. „ჩვენი სქემა დავაფუძნეთ შედარებით ცნობილ მოდელზე გამომთვლელი ნევრომეცნიერების სამყაროში,“ – განაცხადა თეილმანმა. „ჩვენ ვაჩვენეთ, რომ მოდელს აქვს ბუნებრივი, მაგრამ არააშკარა კავშირი PDEs-თან, და ეს კავშირი აქამდე არ იყო დამყარებული – მოდელის შემოღებიდან 12 წლის შემდეგ.“ მკვლევრები მიიჩნევენ, რომ ეს ნაშრომი ხელს შეუწყობს ნევრომეცნიერებისა და გამოყენებითი მათემატიკის დაკავშირებას, რაც ტვინის ინფორმაციის დამუშავების ახალ გაგებას შემოგვთავაზებს. „ტვინის დაავადებები შეიძლება იყოს გამოთვლების დაავადებები,“ – თქვა აიმონემ. „მაგრამ ჩვენ ჯერ კიდევ არ გვაქვს მყარი წარმოდგენა, თუ როგორ ასრულებს ტვინი გამოთვლებს.“ თუ ეს იდეა სწორი აღმოჩნდება, ნეირომორფულმა გამოთვლებმა შეიძლება ერთ დღეს ხელი შეუწყოს ისეთი ნევროლოგიური დარღვევების უკეთ გაგებასა და მკურნალობას, როგორიცაა ალცჰაიმერი და პარკინსონი. **შემდეგი თაობის სუპერკომპიუტერების მშენებლობა** ნეირომორფული გამოთვლები რჩება განვითარებად სფეროდ, მაგრამ ეს ნაშრომი მნიშვნელოვან ნაბიჯს წარმოადგენს წინ. სანდიას გუნდი იმედოვნებს, რომ მათი შედეგები ხელს შეუწყობს თანამშრომლობას მათემატიკოსებს, ნევრომეცნიერებსა და ინჟინრებს შორის, რათა გაფართოვდეს ამ ტექნოლოგიის მიღწევადი შესაძლებლობები. „თუ უკვე ვაჩვენეთ, რომ შეგვიძლია ეს შედარებით საბაზისო, მაგრამ ფუნდამენტური გამოყენებითი მათემატიკის ალგორითმი ნეირომორფულ სისტემაში შევიტანოთ – არის თუ არა რამე