Пешрафтҳои суперкомпютерӣ: истифодаи шабакаҳои оптикии нейроморфӣ

Дар чанд даҳсолаи охир, тамоюли як замон маъруф ва дақиқ, Қонуни Мур, ки аз ҷониби Гордон Мур аз IBM дар соли 1965 пешгӯӣ шуда буд, ҳоло оҳиста-оҳиста ба як ченаки аз байн рафтани иҷрои компютерҳо табдил меёбад. Қонуни Мур пешгӯӣ мекард, ки тақрибан дар ҳар ду сол шумораи транзисторҳо дар микросхемаҳои интегралӣ дучанд мешавад ва транзисторҳо дар ҳамон миқдори фазо зиёд мешаванд, ки боиси афзоиши ҳисобҳо ва ба ин васила кори компютер мегардад. Дар моҳи апрели соли 2005, Гордон Мур дар мусоҳиба худаш изҳор дошт, ки пешгӯии ӯ дигар устувор нахоҳад буд: “Аз рӯи андозаи [транзисторҳо] шумо мебинед, ки мо ба андозаи атомҳо наздик шуда истодаем, ки монеаи бунёдӣ аст, аммо ду ё се насл пеш аз он ки мо ба он ҷо расем, хоҳад буд - аммо ин хеле дур аст, ки мо ҳамеша дида метавонем. Мо то ба ҳадди ниҳоӣ расидан 10-20 соли дигар дорем."   

Гарчанде ки қонуни Мур маҳбуб аст, ки ба як сарбаста дучор шавад, дигар нишондиҳандаҳои ҳисоббарорӣ афзоиши қобили татбиқро мушоҳида мекунанд. Бо технологияе, ки мо дар ҳаёти ҳаррӯзаи худ истифода мебарем, ҳамаи мо мебинем, ки тамоюли хурдтар ва хурдтар шудани компютерҳо, аммо инчунин батареяҳои дастгоҳ дарозтар ва дарозтар кор мекунанд. Тамоюли охирин бо батареяҳо Қонуни Кумей номида мешавад, ки ба номи профессори Донишгоҳи Стэнфорд Ҷонатан Кумей гузошта шудааст. Қонуни Кумей пешгӯӣ мекунад, ки "... ҳангоми сарбории компютерии собит, миқдори батареяе, ки ба шумо лозим аст, дар якуним сол ду маротиба кам мешавад." Аз ин рӯ, масрафи барқи электронӣ ё самаранокии энергетикии компютерҳо тақрибан дар ҳар 18 моҳ ду баробар меафзояд. Пас, он чизе, ки ҳамаи ин тамоюлҳо ва тағиротҳо ба он ишора мекунанд ва ошкор мекунанд, ояндаи компютерҳост.

Ояндаи компютер

Мо ба замоне расидаем, ки дар он мо бояд ҳисоббарориро аз нав муайян кунем, зеро тамоюлҳо ва қонунҳое, ки чанд даҳсола пеш пешбинӣ шуда буданд, дигар қобили татбиқ нестанд. Ғайр аз он, вақте ки ҳисоббарорӣ ба миқёси нано ва квантӣ тела медиҳад, маҳдудиятҳои физикӣ ва мушкилоти ошкоро мавҷуданд. Эҳтимол, кӯшиши барҷастатарин дар суперкомпютер, ҳисоббарории квантӣ, дорои мушкилоти ошкори воқеан истифода бурдани печи квантӣ барои ҳисобкунии параллелӣ, яъне иҷрои ҳисобҳо пеш аз декогерентсияи квантӣ мебошад. Аммо, сарфи назар аз мушкилоти ҳисоббарории квантӣ дар чанд даҳсолаи охир пешрафтҳои зиёд ба даст омадааст. Моделҳои меъмории компютерии анъанавии Ҷон фон Нейманро ёфтан мумкин аст, ки ба ҳисоббарории квантӣ истифода мешаванд. Аммо як соҳаи дигари на он қадар машҳури (супер) ҳисоббарорӣ вуҷуд дорад, ки онро ҳисоббарории нейроморфӣ меноманд, ки ба меъмории анъанавии фон Нейман пайравӣ намекунад. 

Компютерҳои нейроморфӣ аз ҷониби профессори Калтех Карвер Мид дар мақолаи асосии худ дар соли 1990 пешбинӣ шуда буд.  Асосан, принсипҳои ҳисоббарории нейроморфӣ ба принсипҳои назариявии биологии амал асос ёфтаанд, ба монанди онҳое, ки гумон мекунанд, ки майнаи инсон дар ҳисоббарорӣ истифода мебарад. Тафовути мухтасар байни назарияи ҳисоббарории нейроморфӣ ва назарияи компютерии классикии фон Нейман дар мақолаи Дон Монро дар Ассотсиатсияи мошинҳои ҳисоббарор журнал. Изҳорот чунин аст: “Дар меъмории анъанавии фон Нейман, як ядрои пурқудрати мантиқӣ (ё якчанд дар баробари онҳо) дар рӯи маълумоти аз хотира гирифташуда пайдарпай амал мекунад. Баръакси ин, ҳисоббарории «нейроморфӣ» ҳам ҳисобкунӣ ва ҳам хотираро дар байни шумораи зиёди «нейронҳои» нисбатан ибтидоӣ тақсим мекунад, ки ҳар кадоми онҳо бо садҳо ё ҳазорҳо нейронҳои дигар тавассути «синапсҳо» муошират мекунанд.  

Дигар хусусиятҳои асосии ҳисоббарории нейроморфӣ таҳаммулнопазирии хатогиҳоро дар бар мегиранд, ки ҳадафи он моделсозии қобилияти майнаи инсон барои гум кардани нейронҳо ва қобилияти кор кардан мебошад. Ба ҳамин монанд, дар ҳисоббарории анъанавӣ талафоти як транзистор ба кори дуруст таъсир мерасонад. Бартарии дигари пешбинишуда ва мақсадноки ҳисоббарории нейроморфӣ дар он аст, ки ба барномарезӣ лозим нест; ин ҳадафи охирин боз моделсозии қобилияти майнаи инсон барои омӯхтан, посух додан ва мутобиқ шудан ба сигналҳо мебошад. Ҳамин тариқ, ҳисоббарории нейроморфӣ дар айни замон беҳтарин номзад барои омӯзиши мошинсозӣ ва вазифаҳои зеҳни сунъӣ мебошад. 

Пешрафтҳои суперкомпютерҳои нейроморфӣ

Қисми боқимондаи ин мақола ба пешрафтҳои суперкомпютерҳои нейроморфӣ омӯхта мешавад. Махсусан, тадқиқоти ба наздикӣ нашршуда оид ба Arxiv аз Александр Тайт et. ал. аз Донишгоҳи Принстон нишон медиҳад, ки модели шабакаи нейронии фотоникӣ дар асоси кремний аз равиши маъмулии ҳисоббарорӣ тақрибан 2000 маротиба бартарӣ дорад. Ин платформаи фотоникии нейроморфӣ метавонад ба коркарди ултрасуръати иттилоот оварда расонад. 

Таит ва. ал. коғаз бо унвони Фотоникаи кремнийи нейроморфӣ ба тавсифи мусбат ва манфии истифодаи шакли нури фотоникии радиатсияи электромагнитӣ барои ҳисоббарорӣ оғоз мекунад. Нуктаҳои асосии аввалини коғаз аз он иборатанд, ки нур барои интиқоли иттилоот ба таври васеъ истифода мешавад, аммо на барои табдили иттилоот, яъне ҳисоббарории оптикии рақамӣ. Ба ҳамин монанд, ба ҳисоббарории квантӣ, мушкилоти асосии физикӣ барои ҳисоббарории оптикии рақамӣ мавҷуданд. Сипас коғаз ба тафсилоти платформаи ҳисоббарории нейроморфии фотоникӣ, ки қаблан пешниҳод шуда буд, тафсилоти Tait et. ал. даста, ки соли 2014 нашр шудааст, таҳти унвони Пахш ва вазн: Шабакаи ҳамгирошуда барои коркарди миқёспазири хӯшаи фотоникӣ. Ҳуҷҷати нави онҳо натиҷаҳои аввалин намоиши таҷрибавии шабакаи ҳамгирошудаи фотоникии нейронро тавсиф мекунад. 

Дар меъмории ҳисоббарории "паҳн ва вазн" ба "гиреҳҳо" як "интиқолдиҳандаи дарозии мавҷ"-и беназир таъин карда мешавад, ки "тақсимоти дарозии мавҷ мултиплекс карда шудааст (WDM)" ва сипас ба дигар "гиреҳҳо" пахш карда мешавад. "Гиреҳҳо" дар ин меъморӣ барои тақлид кардани рафтори нейронҳо дар майнаи инсон пешбинӣ шудаанд. Сипас сигналҳои "WDM" тавассути филтрҳои арзишманди доимӣ бо номи "банкҳои вазнҳои microring (MRR)" коркард карда мешаванд ва сипас ба арзиши умумии муайянкунии қувваи барқ ​​​​ҷамъ карда мешаванд. Набудани ин табдили охирини электро-оптикӣ/ҳисоббарорӣ маҳз ғайрихаттӣест, ки барои тақлид кардани функсияи нейрон зарур аст, ки барои ҳисоббарорӣ дар асоси принсипҳои нейроморфӣ муҳим аст. 

Дар мақола, онҳо муҳокима мекунанд, ки ин динамикаи тағирёбии электро-оптикии аз тариқи таҷрибавӣ тасдиқшуда аз ҷиҳати математикӣ ба модели "шабакаи нейронҳои такрории 2-гиреҳ" (CTRNN) якхелаанд. Ин натиҷаҳои пешрав нишон медиҳанд, ки асбобҳои барномасозӣ, ки барои моделҳои CTRNN истифода шудаанд, метавонанд ба платформаҳои нейроморфӣ дар кремний истифода шаванд. Ин кашфиёт роҳро барои мутобиқ кардани методологияи CTRNN ба фотоникаи кремнийи нейроморфӣ мекушояд. Дар коғази худ, онҳо ба меъмории "пахш ва вазн" -и худ чунин мутобиқсозии моделро иҷро мекунанд. Натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки модели CTRNN, ки ба меъмории 49 гиреҳи онҳо тақлид карда шудааст, меъмории ҳисоббарории нейроморфӣ медиҳад, то аз моделҳои компютерии классикӣ бо 3 дараҷа бартарӣ дошта бошад.