Počítač jako lidský mozek

Antiferomagnetické paměti by se díky své rychlosti, odolnosti a schopnosti zapisovat víc stavů než jen nuly a jedničky mohly stát ideálním „hostitelem“ umělé inteligence.

Počítač jako lidský mozek
Tomáš Jungwirth | Tomáš Novák týdeník HROT

Tomáš Jungwirth vede Oddělení spintroniky a nanoelektroniky ve Fyzikálním ústavu. V roce 2016 jeho tým představil v prestižním časopise Science první prototyp antiferomagnetické paměti na světě. Byla funkční, dala se připojit do USB, ale měla kapacitu jen několika bitů a nijak oslnivou rychlost. Od té doby vývoj pokročil a v budoucnu by se antiferomagnetické materiály mohly stát základem pro novou generaci pamětí.

Jaké jsou výhody antiferomagnetických pamětí?

U klasických polovodičových pamětí platí, že mohou být buď rychlé, pak si ale informaci pamatují jen zlomek vteřiny a musí být neustále napájeny, nebo do nich – v případě „flash“ pamětí – můžeme informace ukládat permanentně, pak jsou ale mnohem pomalejší a nemohou přímo spolupracovat s rychlým procesorem. Kromě polovodičových existují i magnetické paměti. Tradičně se využívají velkokapacitní pevné disky, na které se informace ukládají permanentně, ovšem jejich nevýhodou je pomalost.

My náš výzkum zaměřujeme na rychlé paměti realizované v magnetickém médiu, které spojují výhody obou světů. Informace se do nich ukládají permanentně a není je potřeba napájet, zároveň jsou však velmi rychlé. Takové paměti založené na klasických feromagnetických materiálech jsou už dnes komerčně dostupné (nazývají se MRAM – pozn. red.).

To jsou feromagnetické paměti. Co ty antiferomagnetické?

My se kromě feromagnetických zabýváme také antiferomagnetickými paměťmi, a ty mají oproti těm prvním několik potenciálních výhod. Jednou z největších slabin feromagnetických pamětí je jejich citlivost na rušivá magnetická pole. Vyskytují se prakticky všude a je velmi náročné udělat tyto klasické magnetické paměti tak robustní, aby byly vůči magnetickým polím odolné. Naproti tomu antiferomagnety jsou vůči běžným magnetickým polím prakticky necitlivé.

Nehrozí tedy náhodné smazání informací?

To u antiferomagnetů nepřichází pro běžně se vyskytující magnetická pole v úvahu. Jde o to, že se tyto látky sice skládají z magnetických atomů, ale ty jsou otočeny tak, že póly sousedních atomů – severní a jižní – jsou obráceny proti sobě.

Takže se to navenek vzájemně vyruší.

Přesně tak. Tyto látky jsou magneticky zorganizované, ale takovým způsobem, že se navenek nechovají jako magnety, a zároveň magnetické působení zvenku na ně má velmi slabý, prakticky nulový vliv. Vyrobit paměť z takového materiálu je velmi lákavá představa, jenže lidé si dlouho – antiferomagnety jsou známé přes 100 let – mysleli, že jde jen o kuriozitu přírody. Ostatně jak na antiferomagnety zapsat informaci, když je nejste schopni ovládat magnetickým polem? My jsme ale dokázali, že to udělat lze. Sestavili jsme prototyp jednoduchého obvodu, vložili do něj náš experimentální čip o velikosti několika bitů, připojili ho přes USB k počítači a v roce 2016 napsali o této vůbec první antiferomagnetické paměti článek do (časopisu) Science. K praktické využitelnosti bylo samozřejmě velmi daleko, ale v principu to demonstrovalo, že tuto velikou rodinu magnetických materiálů lze využít.

Kam jste se od té doby posunuli?

Posunuli jsme se v několika směrech a jeden z nich se týká rychlosti. Dnes existující feromagnetické paměti jsou rychlostí zápisu srovnatelné s těmi nejrychlejšími polovodičovými a bavíme se v jejich případě o gigahertzových rychlostech neboli nanosekundových časech pro zápis. Mimochodem to do značné míry souvisí s našim starším výzkumem – už dříve jsme měli v této oblasti, řekněme, „zásek“. Ovšem antiferomagnetické paměti dovolují díky svému vnitřnímu uspořádání zápis mnohonásobně rychlejší.

Kolikrát rychlejší?

Bavíme se o tisícinásobném až milionnásobném zrychlení. V roce 2018 jsme v Science publikovali další článek a dokázali jsme, že do antiferomagnetické paměti lze zapisovat nikoli v řádech nanosekund (miliardtin sekundy – pozn. red.) ale pikosekund (biliontin sekundy – pozn. red.), takže se už nebavíme o gigahertzích, ale terahertzích. A naše poslední práce navíc ukázala, že jsme schopni informaci zapsat laserovým impulsem dokonce na femtosekundové (biliardtina sekundy – pozn. red.) škále.

O tom, že antiferomagnety mohou pracovat na terahertzích, se vědělo – stačilo je jen „rozhýbat“. Zápis fentosekundovým laserem už jde ovšem za původní očekávání. Nikdo také neanticipoval, že se antiferomagnety mají tendenci chovat spíš analogově než digitálně. Tedy místo zapisování pouhých dvou stavů – jedniček a nul – jsou schopné uložit více stavů, které reprezentují více hladin a chovají se spíš jako neurony a synapse našeho mozku.

Nabízí se využít antiferomagnety při konstruování neuronových sítí a umělé inteligence. Jak jste se v této oblasti dostali daleko?

Studujeme hlavně dvě věci. Zaprvé jde o multistavové chování antiferomagnetů, kdy se snažíme tuto jejich vlastnost naučit ovládat a spolehlivě zapisovat různé úrovně informace. A zadruhé se pokoušíme pochopit zapomínání v těchto pamětech, protože to je velmi zajímavá část neuromorfního počítání; tak vlastně funguje náš mozek.

K čemu je dobré zapomínání? Zlepšuje výběr informací?

Ne. Jde o to, že náš mozek má oproti počítačům obrovskou výhodu, protože jsou v něm paměť a počítání propojeny dohromady. Současné počítače mají oproti tomu centrální procesor, který provádí výpočty a informace si neustále vyměňuje s operační („ramkou“ – pozn. red.) a permanentní (pevným diskem – pozn. red.) pamětí, což ho v porovnání s paralelitou našeho mozku zdržuje. Právě proto je lidský mozek v mnoha úlohách efektivnější než sériové počítače, které jsme historicky konstruovali. Pokud by počítačová paměť byla multistavová, tak už by sama o sobě umožňovala počítání v sobě samé a pokud by zároveň existovala časová závislost jejího stavu…

Jinak řečeno, zapomínala by.

Ano. Pokud by tedy tato časová závislost existovala, mohli bychom se ještě více přiblížit neuromorfním biologickým sítím, protože v nich nezáleží jen na tom, kolik neuron přijal impulsů, ale i na tom, jaký byl mezi těmi impulsy interval. Pro kódování informací v našem mozku je ve skutečnosti extrémně důležité, jestli dva sousední neurony vyšlou impulsy synchronně, s dlouhou časovou odezvou, nebo dokonce v opačném pořadí. Proto se zabýváme třeba tím, že do našich součástek posíláme impulzy v různém pořadí a s různým časovým rozestupem a poté sledujeme, nakolik výsledná informace, kterou do nich zapíšeme, závisí nejen na počtu a síle impulzů, ale také na jejich časovém rozestupu.

Jde o extrémně komplexní, ale také extrémně reprodukovatelné chování, což nám dává naději, že bychom pomocí antiferomagnetů mohli konstruovat neuronové sítě, které by byly blízké sítím biologickým – našemu mozku. Takzvané impulzové neuronové sítě.

Článek vyšel ve čtvrtém čísle týdeníku Hrot, které je věnováno české vědě. Koupit nebo předplatit si ho můžete ZDE.

 

Týdeník hrot

  • Peníze leda zadarmo
  • Covid na mozku
  • Naběhnutí na solární vidle
Objednat nyní