Компьютер с архитектурой мозга научился решать ДУЧП

Компьютер, созданный по принципам работы человеческого мозга, показал неожиданно высокую эффективность при решении сложных математических задач. Исследование Национальной лаборатории Минэнерго США открывает путь к нейроморфным суперкомпьютерам и новым энергоэффективным вычислениям.

Компьютер, построенный по нейроморфной архитектуре и имитирующий принципы работы человеческого мозга, продемонстрировал выдающиеся способности в решении сложных математических задач, которые традиционно считаются прерогативой классических суперкомпьютеров. Речь идет, пишет xrust, о дифференциальных уравнениях в частных производных — фундаменте современных научных и инженерных расчетов.

Компьютер нейроморфной архитектуры: что показало исследование

Исследование, опубликованное Национальной лабораторией Айдахо (INL), входящей в систему Министерства энергетики США, показало: нейроморфные вычислительные системы способны эффективно работать с задачами, ранее недоступными для подобных архитектур.

Результаты работы размещены на официальном сайте лаборатории:
https://www.inl.gov
а также в научных публикациях, связанных с проектами Минэнерго США:
https://www.energy.gov/science

В отличие от классических процессоров, нейроморфный компьютер не выполняет вычисления последовательно. Его архитектура повторяет принципы взаимодействия нейронов и синапсов, что позволяет обрабатывать информацию параллельно и с минимальными энергетическими затратами.

Компьютер и решение дифференциальных уравнений

Ключевым достижением стало применение специализированного алгоритма, разработанного для нейроморфной платформы, который позволяет решать дифференциальные уравнения в частных производных (ДУЧП).

Эти уравнения лежат в основе моделирования:

• гидродинамических процессов;
• электромагнитных полей;
• деформаций и напряжений в строительных конструкциях;
• процессов теплопереноса и диффузии.

До недавнего времени подобные расчеты требовали использования мощных суперкомпьютеров с огромным энергопотреблением. Нейроморфный компьютер показал, что аналогичные задачи могут решаться значительно дешевле с точки зрения ресурсов.

Компьютер как шаг к нейроморфному суперкомпьютеру

Авторы исследования подчеркивают: речь не идет о замене традиционных вычислительных систем. Нейроморфные компьютеры рассматриваются как специализированный инструмент, способный дополнять существующие суперкомпьютеры.

По словам исследователей, полученные результаты могут стать основой для создания первого в мире нейроморфного суперкомпьютера, ориентированного на:

• энергоэффективные вычисления;
• задачи национальной безопасности;
• моделирование сложных физических процессов;
• работу в условиях ограниченного энергопитания.

Компьютер и комментарий эксперта

Один из авторов исследования, ученый Тейлман, отмечает, что современные вычислительные системы лишь начинают приближаться к поведению, напоминающему интеллект:

«Мы только сейчас получаем вычислительные системы, которые могут демонстрировать интеллектуальное поведение. Но они совсем не похожи на мозг, и количество ресурсов, которое они потребляют, откровенно несоразмерно», — подчеркивает Тейлман.

Эксклюзивная деталь исследования заключается в том, что применяемый алгоритм основан на модели корковых сетей мозга, известной в вычислительной нейробиологии более десяти лет, но ранее не связывавшейся с решением ДУЧП.

Компьютер и парадокс математики мозга

Долгое время считалось, что нейроморфные компьютеры подходят в основном для:

• распознавания образов;
• обработки сенсорных данных;
• ускорения искусственных нейронных сетей.

Однако исследователи Аймон и Тейлман считают такой взгляд устаревшим. По их мнению, человеческий мозг постоянно решает задачи эксаскейл-уровня, даже когда человек этого не осознает.

Аймон приводит наглядный пример:

«Возьмите любую задачу управления движением — удар по теннисному мячу или бейсбольной битой. Это чрезвычайно сложные вычисления, которые мозг выполняет почти бесплатно».

Компьютер как мост между нейронаукой и математикой

Алгоритм, использованный в работе, демонстрирует глубокую связь между динамикой корковых нейронных сетей и математической структурой дифференциальных уравнений.

По словам Тейлмана:

«Мы показали, что известная модель нейробиологии имеет естественную, но ранее неочевидную связь с ДУЧП. Эта связь не была выявлена более 12 лет».

Это открытие может сократить разрыв между прикладной математикой и нейронаукой, открыв новые направления исследований.

Компьютер и перспективы медицины

Отдельное внимание ученые уделяют медицинским приложениям. Аймон предполагает, что многие неврологические заболевания могут быть связаны с нарушениями вычислительных процессов в мозге.

• болезнь Альцгеймера;
• болезнь Паркинсона;
• другие нейродегенеративные расстройства.

Если нейроморфные модели действительно отражают реальные принципы мозговых вычислений, они могут стать инструментом для понимания и лечения подобных заболеваний.

Вместо заключения

Нейроморфные вычисления — одно из приоритетных направлений исследований Министерства энергетики США. Работы в этой области ведутся на базе национальных лабораторий и финансируются в рамках программ по развитию энергоэффективных вычислительных технологий.