Η νέα τεχνολογία που προσεγγίζει τον τρόπο λειτουργίας του εγκεφάλου
Τα σημερινά συστήματα τεχνητής νοημοσύνης χρειάζονται σημαντικές ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας, ιδιαίτερα όταν εκπαιδεύονται μεγάλα μοντέλα. Ένας από τους λόγους είναι ο τρόπος με τον οποίο είναι σχεδιασμένοι οι συμβατικοί υπολογιστές: η μνήμη και ο επεξεργαστής αποτελούν ξεχωριστές μονάδες, μεταξύ των οποίων μεταφέρονται συνεχώς δεδομένα.
Αυτή η διαδικασία απαιτεί χρόνο και ενέργεια, δημιουργώντας σημαντικούς περιορισμούς στην απόδοση των συστημάτων.
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος, αντίθετα, λειτουργεί με διαφορετικό τρόπο. Οι νευρώνες επικοινωνούν μέσω των συνάψεων, δηλαδή των συνδέσεων που μπορούν να μεταβάλλουν τη λειτουργία τους ανάλογα με τα ερεθίσματα που δέχονται. Η δυνατότητα αυτή, γνωστή ως νευροπλαστικότητα, επιτρέπει στον εγκέφαλο να προσαρμόζεται, να αποθηκεύει εμπειρίες και να αποκτά νέες γνώσεις.
Ακριβώς αυτόν τον μηχανισμό επιχειρούν να αναπαραγάγουν οι επιστήμονες με τη νέα ηλεκτρονική συσκευή, δημιουργώντας ένα υλικό που μπορεί να συνδυάζει την επεξεργασία και την αποθήκευση πληροφοριών.
Πώς λειτουργεί η μικροσκοπική συσκευή
Την έρευνα πραγματοποίησε επιστημονική ομάδα του Πανεπιστημίου του Βίρτσμπουργκ, στο πλαίσιο του Cluster of Excellence ct.qmat, μιας συνεργασίας των πανεπιστημίων του Βίρτσμπουργκ και της Δρέσδης.
Η τεχνολογία βασίζεται σε δύο σύνθετα οξείδια: το αργιλικό λανθάνιο (LaAlO₃ ή LAO) και το τιτανικό στρόντιο (SrTiO₃ ή STO).
Τα δύο υλικά, όταν εξετάζονται ξεχωριστά, λειτουργούν ως ηλεκτρικοί μονωτές. Όταν όμως τοποθετηθούν σε επαφή, δημιουργούν ανάμεσα στις επιφάνειές τους ένα εξαιρετικά λεπτό αγώγιμο στρώμα. Πρόκειται για μια δομή που είναι γνωστή ως «οιονεί δισδιάστατο αέριο ηλεκτρονίων», μέσα στην οποία τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται σε μια πολύ περιορισμένη περιοχή.
Με κατάλληλο σχεδιασμό της συγκεκριμένης διεπιφάνειας, οι ερευνητές έχουν τη δυνατότητα να δημιουργούν μικροσκοπικές αγώγιμες διαδρομές, οι οποίες λειτουργούν σαν «αυτοκινητόδρομοι» για τα ηλεκτρόνια.
Η διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος μπορεί να προκαλέσει μετακινήσεις ατόμων οξυγόνου στο εσωτερικό της δομής, μεταβάλλοντας την ηλεκτρική αντίσταση. Οι αλλαγές αυτές επιτρέπουν στο εξάρτημα να διατηρεί πληροφορίες από προηγούμενα ηλεκτρικά ερεθίσματα και να προσαρμόζει τη συμπεριφορά του ανάλογα με τη δραστηριότητα που έχει προηγηθεί.
Με άλλα λόγια, η συσκευή αποκτά τη δυνατότητα να «εκπαιδεύεται» μέσω της ηλεκτρικής διέγερσης.
Ένα εξάρτημα με τρεις διαφορετικές λειτουργίες
Ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά της ανακάλυψης είναι ότι το ίδιο μικροσκοπικό εξάρτημα μπορεί να εκτελέσει τρεις διαφορετικές ηλεκτρονικές λειτουργίες, ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσής του.
Συγκεκριμένα, μπορεί να λειτουργήσει ως:
Τρανζίστορ: Ελέγχει τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος και αποτελεί βασικό στοιχείο των σύγχρονων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων.
Μεμρίστορ (memristor): Αποθηκεύει πληροφορίες μέσω μεταβολών στην ηλεκτρική του αντίσταση, διατηρώντας ουσιαστικά ένα «ίχνος» της προηγούμενης δραστηριότητάς του.
Μεμκαπάσιτορ (memcapacitor): Η δυνατότητα αποθήκευσης ηλεκτρικού φορτίου εξαρτάται από την προηγούμενη ηλεκτρική κατάσταση της συσκευής.
Οι ερευνητές έδειξαν ότι ένα και μόνο ηλεκτρονικό εξάρτημα σε νανοκλίμακα μπορεί να αναλάβει οποιονδήποτε από αυτούς τους τρεις ρόλους. Η ευελιξία αυτή θα μπορούσε να απλοποιήσει σημαντικά τον σχεδιασμό τεχνητών νευρωνικών δικτύων, τα οποία θα ενσωματώνουν τις λειτουργίες τους απευθείας στο hardware.
Ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Soumen Pradhan, από την Έδρα Τεχνικής Φυσικής του Πανεπιστημίου του Βίρτσμπουργκ, επισημαίνει ότι η ιδιαίτερη αξία της τεχνολογίας βρίσκεται στη δυνατότητα αξιοποίησης του ίδιου συστήματος υλικών για την υλοποίηση διαφορετικών λειτουργιών.
Όπως εξηγεί, η προσέγγιση αυτή φέρνει τους επιστήμονες πιο κοντά στη δημιουργία ηλεκτρονικού υλικού που δεν περιορίζεται στην εκτέλεση υπολογισμών, αλλά μπορεί παράλληλα να μαθαίνει και να αποθηκεύει προσωρινά πληροφορίες.
Ο δρόμος προς υπολογιστές με μικρότερη ενεργειακή κατανάλωση
Η υπολογιστική που εμπνέεται από τον ανθρώπινο εγκέφαλο αποτελεί έναν αναπτυσσόμενο επιστημονικό τομέα, ο οποίος επιχειρεί να μεταφέρει ορισμένες από τις αρχές λειτουργίας των νευρώνων και των συνάψεων στα ηλεκτρονικά κυκλώματα.
Βασικός στόχος είναι να περιοριστεί η συνεχής μεταφορά δεδομένων ανάμεσα σε διαφορετικές μονάδες μνήμης και επεξεργασίας. Αντί γι' αυτό, οι λειτουργίες του υπολογισμού, της αποθήκευσης και της προσαρμογής επιδιώκεται να συνυπάρχουν μέσα στα ίδια ηλεκτρονικά εξαρτήματα.
Ο Ralph Claessen, εκπρόσωπος του Πανεπιστημίου του Βίρτσμπουργκ στο Cluster of Excellence ct.qmat, τονίζει ότι τα σύνθετα οξείδια παρουσιάζουν ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον, καθώς μπορούν να συνδυάσουν πολλαπλές ηλεκτρονικές ιδιότητες σε μία ενιαία πλατφόρμα υλικών.
Αυτή ακριβώς η δυνατότητα τα καθιστά υποσχόμενα για την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς προσαρμόσιμων ηλεκτρονικών συστημάτων με χαμηλότερες ενεργειακές απαιτήσεις.
Ποιες εφαρμογές μπορεί να έχει στην παρακολούθηση της υγείας
Ένας από τους τομείς στους οποίους θα μπορούσε να αξιοποιηθεί η συγκεκριμένη τεχνολογία είναι η φορετή ηλεκτρονική, δηλαδή οι συσκευές που χρησιμοποιούνται στο σώμα για την καταγραφή δεδομένων υγείας.
Τα νέα εξαρτήματα θα μπορούσαν μελλοντικά να ενσωματωθούν σε έξυπνους αισθητήρες, οι οποίοι θα αναλύουν απευθείας τα φυσιολογικά σήματα, χωρίς να χρειάζονται ξεχωριστά συστήματα hardware για κάθε επιμέρους εργασία.
Μεταξύ των πιθανών εφαρμογών περιλαμβάνονται η παρακολούθηση:
Του καρδιακού ρυθμού.
Της αρτηριακής πίεσης.
Της θερμοκρασίας του σώματος.
Του κορεσμού οξυγόνου στο αίμα.
Των επιπέδων γλυκόζης στο αίμα.
Τέτοιου είδους αισθητήρες θα μπορούσαν όχι μόνο να καταγράφουν τις παραπάνω μετρήσεις, αλλά και να προσαρμόζουν τον τρόπο με τον οποίο επεξεργάζονται τα δεδομένα, ανάλογα με τα σήματα που λαμβάνουν.
Παράλληλα, η επεξεργασία των πληροφοριών απευθείας στη συσκευή θα μπορούσε να μειώσει την ενέργεια που απαιτείται για τη μεταφορά τους σε εξωτερικούς υπολογιστές ή άλλες μονάδες επεξεργασίας.
Τι σημαίνει πραγματικά η ανακάλυψη για το μέλλον της τεχνητής νοημοσύνης
Παρά τις σημαντικές προοπτικές, η τεχνολογία βρίσκεται ακόμη σε ερευνητικό στάδιο. Η μελέτη αποδεικνύει ότι είναι εφικτό ένα ηλεκτρονικό εξάρτημα να αναπαράγει συγκεκριμένες λειτουργίες που σχετίζονται με την επεξεργασία και την αποθήκευση πληροφοριών στον εγκέφαλο.
Δεν πρόκειται, ωστόσο, για έναν ολοκληρωμένο υπολογιστή που σκέφτεται όπως ο άνθρωπος ούτε για έναν έτοιμο ιατρικό αισθητήρα που μπορεί ήδη να χρησιμοποιηθεί στην καθημερινότητα.
Απαιτείται περαιτέρω έρευνα, ώστε να διαπιστωθεί κατά πόσο η συγκεκριμένη προσέγγιση μπορεί να προσφέρει ουσιαστικά οφέλη στην ενεργειακή απόδοση, την αξιοπιστία και την ταχύτητα των μελλοντικών συστημάτων.
Εφόσον ξεπεραστούν οι τεχνικές δυσκολίες, η ανακάλυψη θα μπορούσε να αποτελέσει ένα σημαντικό βήμα προς ηλεκτρονικές συσκευές που δεν εκτελούν απλώς εντολές, αλλά προσαρμόζονται και μαθαίνουν μέσα από την ίδια τη λειτουργία τους.
