Смогут ли физики приблизить будущее, где мы будем управлять компьютером силой воли, летать на парящих автомобилях, использовать трехмерные видеозвонки, работать на квантовых компьютерах и эксплуатировать токамаки — источники чистой и дешевой энергии? Ответ: да!
Устройства, похожие на компьютеры, человечество пыталось создать много сотен лет назад. В начале XX века вблизи острова Антикитера водолазы подняли со дна моря механизм, состоящий из 30 бронзовых шестерен, помещенных в деревянный корпус. Это был Антикитерский механизм, собранный во II веке до нашей эры. С помощью этого механизма древние ученые предсказывали движения светил и делали астрологические прогнозы.
Словосочетание «искусственный интеллект» появилось в 1956 году. Сегодня всем понятно сокращение «ИИ», и искусственный интеллект помогает во многих сферах жизни: финансовой, промышленной, транспортной, образовательной, даже в сфере искусства.
ИИ работает в бинарной логике, и его развитие ограничено. Двоичная логика — универсальный инструмент размышления и вывода знаний. Строится она на двух утверждениях: истина — логическая единица; ложь — логический ноль. Такая система хорошо ложится на вычисления, но человеческий мозг намного сложнее. Поэтому ИИ плохо справляется с простейшими аспектами человеческого поведения вроде принятия решений в условиях неопределенности, неполноты знания, неточности измерений и так далее.
А сможет ли ИИ думать самостоятельно? Российские ученые из Южного федерального университета работают над проектом, результаты которого позволят развить новые материалы и конструкторские решения для воплощения «в железе» принципов действия систем ИИ, схожих с биологическими нейронными сетями.
Уже более десяти лет в России идет масштабная Программа мегагрантов, реализуемая Минобрнауки в рамках нацпроекта «Наука и университеты». Совет по грантам отбирает наиболее актуальные и перспективные заявки на научные исследования по различным направлениям: от физики и астрономии до истории и археологии.
За время существования Программы мегагрантов создано 345 новых лабораторий, в 38 из них проходят исследования в области физики. Ученые этих лабораторий вплотную подобрались к пониманию свойств материалов для новой электроники, открыли новые свойства давно известных материалов, придумали, как выращивать уникальные кристаллы для лазерных систем и как повысить эффективность солнечных батарей, разрабатывают датчики для анализа качества воздуха, занимаются поиском темной материи и многим другим.
Программа мегагрантов — визитная карточка Российской Федерации в сфере международного научно-технического сотрудничества, средство интеграции России в мировую научную среду. Это важная часть национального проекта «Наука и университеты». Стартовала программа 9 апреля 2010 года, когда правительство приняло постановление №220 — «О мерах по привлечению ведущих ученых в российские образовательные организации высшего образования, научные учреждения и государственные научные центры…»
Научные лаборатории мирового уровня при помощи Программы мегагрантов создаются на базе вузов и научных организаций. Возглавляют их ученые из России, Индии, Турции, Китая и других стран, а также наши соотечественники, живущие за рубежом.
За годы действия программы опубликовано более 8,9 тыс. статей в ведущих российских и зарубежных научных журналах, зарегистрировано около 1,5 тыс. патентов на изобретения и научные открытия. Более 3,6 тыс. сотрудников созданных лабораторий прошли стажировки, повышение квалификации, обучение в ведущих вузах и научных организациях России и мира.
Результаты работ, профинансированных мегагрантами, стали основой более 120 монографий, создано новых или существенно модернизировано более 1,1 тыс. образовательных программ и курсов.
Существенно расширились связи российских вузов и научных организаций с передовыми научно-образовательными организациями из 40 стран мира.
Электронные устройства, повторяющие принципы работы мозга человека — нейроэлектроника — нужны для снижения издержек в решении задач ИИ. Кремниевому мозгу тесно в рамках двоичной логики, хотя даже со всеми аппаратными ограничениями уже сейчас удалось достигнуть потрясающих успехов. Как далеко шагнет развитие нейроморфных вычислений, если они будут выполняться на компонентах, в полной мере повторяющих основные свойства тех кирпичиков, из которых состоит человеческий мозг — нейронов?
Проект планируется завершить в 2025 году. Его конечной целью станет создание технологии изготовления масштабируемых нейроэлектронных компонентов для искусственного интеллекта.
«Наши разработки найдут применение в первую очередь в робототехнических системах, поскольку это позволит им не просто собирать, но и на лету анализировать поступающую информацию и автономно принимать решения. Везде, где появилась возможность внедрения систем искусственного интеллекта, есть место и для нейроморфной электроники как элементной базы для работы этих систем»,— уверен руководитель лаборатории «Нейроэлектроника и мемристивные наноматериалы» Владимир Смирнов.
В вузе уверены, что реализация проекта позволит внедрить новый опыт и передовые научные результаты в образовательный процесс и готовить кадры для микроэлектронной промышленности.
Электронные приборы работают на полупроводниковых, чаще всего кремниевых, материалах. Для передачи, обработки и хранения информации они используют электроны (электрический ток). Однако из-за применения электричества в вычислительных устройствах, например, компьютерах, элементах памяти, процессорах и т. д., выделяется тепло. Оно перегревает кремниевые элементы, которые при очень высоких температурах теряют свои полупроводниковые свойства: выходят из строя.
Одна из задач современной электроники — создать новые физические принципы, технологии и класс материалов и устройств, которые были бы более производительными, энергоэффективными и компактными, чем кремниевые.
Здесь ученым приходит на помощь магноника — наука, изучающая свойства спиновых волн и магнонов. Магнитные материалы — железо, кобальт, никель, некоторые сплавы и соединения марганца, хрома и т. д.— выступают средой для возникновения спиновых волн (по аналогии с электромагнитными волнами), а частицами этих волн являются магноны.
Спиновыми волнами (как и электромагнитными) можно управлять. Они возникают в магнитных материалах при относительно невысоких температурах, не вызывая перегревания. Значит, с помощью магнонов можно вести обработку информации с высокой скоростью и низкими энергопотерями. Переход на новые материалы позволит отказаться от систем охлаждения, и устройства, например, телефоны, станут более компактными.
Спиновыми волнами (как и электромагнитными) можно управлять. Они возникают в магнитных материалах при относительно невысоких температурах, не вызывая перегревания. Значит, с помощью магнонов можно вести обработку информации с высокой скоростью и низкими энергопотерями. Переход на новые материалы позволит отказаться от систем охлаждения, и устройства, например, телефоны, станут более компактными.
Однако для создания магнонных компьютеров — вычислительных устройств, в основе работы которых лежат принципы искусственного интеллекта — требуется разработка эффективной методологии проектирования, компонентной базы, математических моделей и программного обеспечения. Исследования в этой сфере ведут ученые кафедры физической электроники и технологии (ФЭТ) Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». Сейчас в лаборатории проводят эксперименты по разработке искусственной нейросети, построенной на принципах магноники. Она сможет быстрее обрабатывать всевозможные сигналы и выдавать рекомендации и решения.
В основе резервуарного компьютера лежит концепция использования магнитных материалов, в которых существуют спиновые волны и магноны. «Резервуаром» выступает пластина магнитного материала. Используя магноны для обработки информации в резервуарном компьютере, возможно проводить обучение искусственного интеллекта. Например, можно обучить устройство различать образы (кошка или собака).
«Резервуарный компьютер — это один из вариантов вычислительных устройств, которые обладают искусственным интеллектом. Он сравнительно прост в изготовлении, так как состоит из одного физического резервуара. Для сравнения, техническая реализация искусственной нейросети требует большого числа искусственных нейронов. В настоящее время проводятся исследования по изучению ввода, вывода и обработки данных, а также по эффективности решения задач оптимизации и распознавания образов. Такую систему возможно обучать по аналогии с классическими системами искусственного интеллекта»,— рассказывает профессор кафедры физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Алексей Устинов, который возглавляет лабораторию магноники и радиофотоники.
Прототип резервуарного компьютера уже создан при участии ученых СПбГЭТУ «ЛЭТИ». В настоящее время проводятся исследования по изучению ввода, вывода и обработки данных, а также по эффективности решения задач оптимизации и распознавания образов.
Развитие квантовой механики началось в XX веке и подарило человечеству лазеры, ускорители частиц, МРТ, компьютеры, мобильную связь, интернет. По мнению ученых, именно квантовая теория наиболее полно описывает явления окружающего мира, а значит, все материалы и их взаимодействия имеют квантовую природу.
В мире широко обсуждается создание квантовых компьютеров, которые можно использовать для сверхбыстрых расчетов — за несколько секунд они смогут провести вычисления, на которые сегодня тратятся годы. Но чтобы получить такой компьютер, ученым нужно разработать подходящие квантовые материалы.
Как объясняет ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО Василий Кравцов, это класс материалов, в которых квантовая природа вещества приводит к особенным уникальным свойствам, недостижимым в традиционных материалах. Например, при наложении двух листов графена — углеродных материалов толщиной в один атом — друг на друга под определенным малым углом образуется новый материал, обладающий свойствами сверхпроводимости. Похожим образом создание других квантовых материалов приводит к новым интересным и технологически важным свойствам — магнитным, электрическим или оптическим. Разработка новых квантовых материалов важна для создания следующих поколений ячеек энергонезависимой памяти, устройств квантовых вычислений и систем квантовой криптографии.
Сегодня в Университете ИТМО работают над проектами, связанными с двумерными материалами. Один из таких проектов сфокусирован на создании эффективных генераторов одиночных фотонов. Одиночные фотоны перспективны как кандидаты для использования в качестве кубитов — квантовых битов — в системах квантовых вычислений и квантовой коммуникации. В исследованиях ученых такие генераторы создаются путем деформирования двумерного полупроводника в области размером около 100 нанометров.
В другом исследовани новые материалы создаются путем наслоения двумерных полупроводников — листов толщиной в три атома — друг на друга в определенной геометрии. Таким образом, ученые конструируют новый материал с заранее заданными оптическими и электронными свойствами, которых невозможно достичь в существующих материалах.
«В конечном итоге цель наших исследований — это разработка новых технологий и материалов для создания устройств обработки и передачи как классической, так и квантовой информации, с повышенным быстродействием и улучшенной энергоэффективностью,— рассказывает Василий Кравцов.— Сейчас наша работа находится скорее в стадии фундаментальных исследований, однако полученные результаты и созданные прототипы структур и материалов уже позволяют нам переходить к стадии первых прикладных разработок».
Ссылка на источник: https://www.kommersant.ru/doc/5621090#id2284110