Нейроморфная вычислительная платформа: новый прорыв в области эффективности вычислений.

Индийские исследователи совершили значительный прорыв, создав аналоговую вычислительную платформу, вдохновленную принципами работы мозга. Эта инновация позволяет хранить и обрабатывать информацию в 16 500 различных состояниях проводимости молекул, что значительно превосходит возможности традиционных цифровых систем, где данные ограничиваются всего двумя состояниями.

Опубликованное в журнале Nature, это достижение открывает новые горизонты в развитии искусственного интеллекта (ИИ), позволяя переносить сложные задачи, такие как обучение больших языковых моделей (LLM), на персональные устройства, включая ноутбуки и смартфоны. Это приближает нас к «демократизации» ИИ, обеспечивая более доступные и энергоэффективные вычисления, в отличие от мощных, но ресурсоемких дата-центров, которые в настоящее время доминируют в этой области. С учетом того, что развитие кремниевой электроники достигло своего предела, интеграция мозгоподобных ускорителей с существующими кремниевыми чипами становится важнейшим направлением для улучшения работы ИИ.

«Нейроморфные вычисления сталкивались с множеством нерешенных задач на протяжении более десяти лет», – рассказывает Сритош Госвами, доцент Центра нанонауки и инженерии IISc и руководитель исследовательской группы. «Наше открытие приближает нас к идеальной системе, что является значительным достижением».

Основная операция в большинстве алгоритмов ИИ – это умножение матриц, понятие, знакомое еще школьникам. Однако для цифровых компьютеров такие операции требуют значительных затрат энергии. Разработанная командой платформа значительно уменьшает как время, так и энергозатраты на выполнение таких вычислений, ускоряя и упрощая процесс.

Система, лежащая в основе разработки, была создана профессором Госвами. Когда молекулы и ионы движутся внутри материала, они создают огромное количество уникальных состояний памяти, многие из которых не могли быть использованы ранее. В отличие от традиционных цифровых устройств, которые могут работать только с двумя состояниями (высокой и низкой проводимости), новая платформа способна учитывать множество промежуточных состояний.

Благодаря точно синхронизированным импульсам напряжения исследователи нашли способ отслеживать большее количество молекулярных движений, каждое из которых соответствует отдельному электрическому сигналу. Этот процесс позволяет создавать сложную картину различных состояний, напоминающую «молекулярный дневник». «Мы смогли объединить точность электротехники и креативность химии, чтобы точно контролировать молекулярную динамику в электронной схеме, управляемой наносекундными импульсами», – поясняет профессор.

Используя эти молекулярные изменения, команда создала высокоэффективный нейроморфный ускоритель, который может одновременно и хранить, и обрабатывать данные, как это происходит в человеческом мозге. Эти ускорители можно интегрировать с кремниевыми схемами для повышения их производительности и энергоэффективности.

Одной из трудных задач стало точное измерение состояний проводимости, что было невозможно с применением существующих методов. Для этого ученые разработали специальную плату, способную измерять напряжение с точностью до миллионных долей вольта, что позволило точно фиксировать каждое состояние.

Кроме того, команда продемонстрировала, как их новое достижение можно превратить в практическую технологию. Используя лишь обычный настольный компьютер, они воссоздали знаменитое изображение «Столпы творения» NASA, полученное с помощью телескопа Джеймса Уэбба, а также значительно сократили время и энергозатраты по сравнению с традиционными суперкомпьютерами.

Это открытие имеет большое значение для мирового технологического сообщества. Исследователи считают, что их достижение может стать важным вкладом Индии в развитие аппаратных средств для ИИ, укрепив ее позицию на мировой технологической арене. Профессор Наваканта Бхат подчеркивает: «Мы превратили глубокое понимание физики и химии в революционную технологию для аппаратного обеспечения ИИ. Это может стать ключевым моментом для индийской стратегии по полупроводникам, революционизируя промышленность и технологические приложения».

«Мы полностью автономно создаем эту технологию, начиная с материалов и заканчивая схемами и системами», – отмечает Сритош Госвами. «Мы находимся на пути создания системы на кристалле, что станет следующим шагом в развитии этой технологии».