Datblygiadau uwchgyfrifiadura: defnyddio rhwydweithiau optegol niwromorffig

Yn ystod yr ychydig ddegawdau diwethaf, mae’r duedd a oedd unwaith yn adnabyddus a chywir, Moore’s Law, a ragfynegwyd gan Gordon Moore o IBM ym 1965, bellach yn araf ddod yn fesur darfodedig o berfformiad cyfrifiadura. Rhagfynegodd Cyfraith Moore y byddai nifer y transistorau mewn cylched integredig yn dyblu bob dwy flynedd, y byddai mwy o transistorau yn yr un faint o le, gan arwain at fwy o gyfrifiannu ac felly perfformiad cyfrifiadurol. Ym mis Ebrill 2005, mewn cyfweliad, dywedodd Gordon Moore ei hun na fyddai ei ragamcaniad yn debygol o fod yn gynaliadwy mwyach: “O ran maint [transistorau] gallwch weld ein bod yn agosáu at faint atomau sy'n rhwystr sylfaenol, ond mae'n rhwystr sylfaenol. Bydd dwy neu dair cenhedlaeth cyn i ni gyrraedd mor bell â hynny—ond mae hynny mor bell allan ag yr ydym erioed wedi gallu gweld. Mae gennym ni 10 i 20 mlynedd arall cyn i ni gyrraedd terfyn sylfaenol.”   

Er bod cyfraith Moore yn dyngedfennol i daro diwedd rhai, mae dangosyddion cyfrifiadurol eraill yn gweld cynnydd mewn cymhwysedd. Gyda'r dechnoleg a ddefnyddiwn yn ein bywydau bob dydd, gallwn i gyd weld y tueddiadau o gyfrifiaduron yn mynd yn llai ac yn llai ond hefyd bod batris dyfais yn para'n hirach ac yn hirach. Gelwir y duedd olaf gyda batris yn Gyfraith Koomey, a enwyd ar ôl Athro Prifysgol Stanford, Jonathan Koomey. Mae cyfraith Koomey yn rhagweld “… ar lwyth cyfrifiadurol sefydlog, bydd maint y batri sydd ei angen arnoch chi yn gostwng gan ffactor o ddau bob blwyddyn a hanner.” Felly, mae defnydd pŵer electronig neu effeithlonrwydd ynni cyfrifiaduron yn dyblu tua bob 18 mis. Felly, yr hyn y mae'r tueddiadau a'r newidiadau hyn i gyd yn ei gyfeirio ato ac yn ei ddatgelu yw dyfodol cyfrifiadureg.

Dyfodol cyfrifiadura

Rydym wedi dod i gyfnod mewn hanes lle mae'n rhaid i ni ailddiffinio cyfrifiadura gan nad yw'r tueddiadau a'r cyfreithiau a ragwelwyd sawl degawd yn ôl bellach yn berthnasol. Hefyd, wrth i gyfrifiadura wthio tuag at y graddfeydd nano a chwantwm, mae yna gyfyngiadau a heriau corfforol amlwg i'w goresgyn. Efallai mai’r ymgais fwyaf nodedig ar uwchgyfrifiadura, sef cyfrifiadura cwantwm, sydd â’r her amlwg o wir harneisio maglu cwantwm ar gyfer cyfrifiant cyfochrog, hynny yw, perfformio cyfrifiannau cyn dadgydlyniad cwantwm. Fodd bynnag, er gwaethaf heriau cyfrifiadura cwantwm, bu llawer o gynnydd yn ystod yr ychydig ddegawdau diwethaf. Gellir dod o hyd i fodelau o bensaernïaeth gyfrifiadurol draddodiadol John von Neumann a gymhwyswyd i gyfrifiadura cwantwm. Ond mae yna faes arall nad yw mor adnabyddus o (uwch)gyfrifiadura, a elwir yn gyfrifiadura niwromorffig nad yw'n dilyn pensaernïaeth draddodiadol von Neumann. 

Cafodd cyfrifiadura niwromorffig ei ragweld gan yr athro Caltech Carver Mead yn ôl yn ei bapur arloesol ym 1990.  Yn y bôn, mae egwyddorion cyfrifiadura niwromorffig yn seiliedig ar egwyddorion gweithredu biolegol damcaniaethol, fel y rhai y credir eu bod yn cael eu defnyddio gan yr ymennydd dynol wrth gyfrifiannu. Crynhowyd gwahaniaeth cryno rhwng theori cyfrifiadura niwromorffig yn erbyn damcaniaeth gyfrifiadurol glasurol von Neumann mewn erthygl gan Don Monroe yn y Cymdeithas Peiriannau Cyfrifiadura dyddlyfr. Mae'r datganiad yn mynd fel hyn: “Yn y bensaernïaeth draddodiadol von Neumann, mae craidd rhesymeg pwerus (neu sawl un ochr yn ochr) yn gweithredu'n ddilyniannol ar ddata a gasglwyd o'r cof. Mewn cyferbyniad, mae cyfrifiadura ‘niwromorffig’ yn dosbarthu cyfrifiant a chof ymhlith nifer enfawr o ‘niwronau’ cymharol gyntefig, pob un yn cyfathrebu â channoedd neu filoedd o niwronau eraill trwy ‘synapses’.”  

Mae nodweddion allweddol eraill cyfrifiadura niwromorffig yn cynnwys anoddefiad bai, sy'n anelu at fodelu gallu'r ymennydd dynol i golli niwronau a dal i allu gweithredu. Yn gyfatebol, mewn cyfrifiadura traddodiadol mae colli un transistor yn effeithio ar weithrediad priodol. Mantais arall sydd wedi'i rhagweld a'i hanelu at gyfrifiadura niwromorffig yw nad oes angen ei raglennu; mae’r nod olaf hwn eto yn modelu gallu’r ymennydd dynol i ddysgu, ymateb ac addasu i signalau. Felly, cyfrifiadura niwromorffig yw'r ymgeisydd gorau ar hyn o bryd ar gyfer dysgu peirianyddol a thasgau deallusrwydd artiffisial. 

Datblygiadau uwchgyfrifiadura niwromorffig

Bydd gweddill yr erthygl hon yn ymchwilio i ddatblygiadau uwchgyfrifiadura niwromorffig. Yn benodol, mae ymchwil a gyhoeddwyd yn ddiweddar ar yr Arxiv gan Alexander Tait et. al. allan o Brifysgol Princeton yn dangos bod model rhwydwaith niwral ffotonig sy'n seiliedig ar silicon yn perfformio bron i 2000 gwaith yn well na dull cyfrifiadura confensiynol. Gallai'r llwyfan ffotonig niwromorffig hwn o gyfrifiadura arwain at brosesu gwybodaeth gwibgyswllt. 

Mae'r Tait et. al. papur o'r enw Ffotoneg Silicon Niwromorffig dechrau disgrifio manteision ac anfanteision defnyddio'r ffurf golau ffotonig o ymbelydredd electromagnetig ar gyfer cyfrifiadura. Prif bwyntiau cychwynnol y papur yw bod golau wedi'i ddefnyddio'n eang ar gyfer trosglwyddo gwybodaeth ond nid ar gyfer trawsnewid gwybodaeth, h.y. cyfrifiadura optegol digidol. Yn yr un modd, i gyfrifiadura cwantwm, mae heriau ffisegol sylfaenol i gyfrifiadura optegol digidol. Yna mae'r papur yn mynd i mewn i fanylion platfform cyfrifiadurol ffotonig niwromorffig arfaethedig cynharach y Tait et. al. tîm a gyhoeddwyd yn 2014, dan y teitl Darlledu a phwysau: Rhwydwaith integredig ar gyfer prosesu pigyn ffotonig graddadwy. Mae eu papur mwy newydd yn disgrifio canlyniadau'r arddangosiad arbrofol cyntaf o rwydwaith niwral ffotonig integredig. 

Yn y bensaernïaeth gyfrifiadurol “darlledu a phwysau”, rhoddir “cludwr tonfedd” unigryw i'r “nodau” sef “amlblecsu rhaniad tonfedd (WDM)” ac yna'u darlledu i “nodau” eraill. Bwriad y “nodau” yn y bensaernïaeth hon yw efelychu ymddygiad niwronau yn yr ymennydd dynol. Yna mae signalau “WDM” yn cael eu prosesu trwy hidlwyr â gwerth parhaus o'r enw “banciau pwysau meicro (MRR)” ac yna'n cael eu crynhoi'n drydanol i gyfanswm gwerth canfod pŵer mesuredig. Aflinoledd y trawsnewid/cyfrifiant electro-optig olaf hwn yw'r union aflinoledd sydd ei angen i ddynwared ymarferoldeb niwronau, sy'n hanfodol i gyfrifiadura o dan egwyddorion niwromorffig. 

Yn y papur, maent yn trafod bod y ddeinameg trawsnewid electro-optig hyn sydd wedi'u gwirio'n arbrofol yn union yr un fath yn fathemategol â model “rhwydwaith niwral cylchol amser-di-dor 2 nod” (CTRNN). Mae'r canlyniadau arloesol hyn yn awgrymu y gallai offer rhaglennu a ddefnyddiwyd ar gyfer modelau CTRNN gael eu cymhwyso i lwyfannau niwromorffig sy'n seiliedig ar silicon. Mae'r darganfyddiad hwn yn agor y llwybr i addasu methodoleg CTRNN i ffotoneg silicon niwromorffig. Yn eu papur, maen nhw'n gwneud addasiad model o'r fath i'w pensaernïaeth “darlledu a phwysau”. Mae'r canlyniadau'n dangos bod y model CTRNN a efelychwyd ar eu pensaernïaeth 49 nod yn rhoi'r bensaernïaeth gyfrifiadurol niwromorffig i berfformio'n well na modelau cyfrifiadura clasurol o 3 gradd maint.