В ЛЭТИ придумали новую модель химической реакции для создания резервуарных компьютеров
Предложенная модель описывает процессы, происходящие в специальном химическом реакторе, разработанном учеными СПбГЭТУ «ЛЭТИ», и в перспективе может использоваться при разработке физических нейросетей, то есть компьютерной архитектуры, которая одновременно хранит и обрабатывает данные.
Системы искусственного интеллекта (ИИ), в частности, нейросети, сегодня активно внедряются в различные сферы жизни человека, позволяя автоматизировать работу информационных систем на предприятиях, создавая тексты, фото, видео и аудио, и даже помогая врачам точнее ставить диагнозы для социально значимых болезней (например, распознавание нормальных и патологических состояний на основе данных о пациентах).
При этом большая часть современных систем искусственного интеллекта является программными продуктами, функционирование которых обеспечивается за счет использования обычных компьютеров. Возможность повышать точность и скорость обработки информации с помощью программных систем искусственного интеллекта зависит от вычислительных мощностей и объема памяти применяемых компьютеров. А значит, дальнейшее улучшение характеристик ИИ неизбежно приводит к повышению стоимости, габаритов и энергопотребления аппаратной части системы. Поэтому научные группы в различных странах мира ведут разработки вычислительных устройств для использования искусственного интеллекта на новых физических принципах.
«Мы разработали математическую модель, которая описывает химические процессы известной реакции Белоусова-Жаботинского. Особенность реакции состоит в том, что после смешивания реагентов в течение определенного времени ряд параметров раствора меняется колебательно, например, цвет превращается из красного в синий и наоборот. Частота колебаний зависит как от концентрации химических реагентов, так и от внешних воздействий, например, скорости перемешивания раствора. Причем колебания цвета не строго периодические, а хаотические, что и описывает наша математическая модель, причем делает это лучше, чем известные из литературы модели. Возможность управления подобной реакцией и ее точного моделирования может использоваться для создания компьютера нового типа».
Реакция Белоусова-Жаботинского является одной из самых известных и наиболее легко воспроизводимых колебательных реакций, а в состав ее реагентов входят серная кислота, малоновая кислота, вода и ферроин. В 60-х годах прошлого века поведение раствора было описано довольно простой математической моделью. Однако современное представление о динамике реакции Белоусова-Жаботинского характеризуется исследователями как хаотические колебания, что требует поиска более точного и комплексного математического описания. Именно сложность и изменчивость динамики позволяет использовать реакцию как основу для химических вычислителей.
Для проведения экспериментов ученые создали установку, состоящую из восьми прозрачных пробирок-кювет, в которые наливалась смесь для протекания реакции Белоусова-Жаботинского. К каждой кювете были подключены механизм для перемешивания (лопатка с электрическим приводом) и оптический датчик, который измерял прозрачность раствора в заданный момент времени. Информация из каждой пробирки фиксировалась с помощью контроллера, являющегося частью установки, а затем поступала на компьютер. В ходе экспериментального исследования были получены данные о поведении реакции при постоянном и периодическом перемешивании с разной частотой вращения лопатки. По окончании экспериментов, с помощью специально разработанных вычислительных процедур по полученным данным была построена новая математическая модель реакции.
Разработанная учеными модель позволяет, в частности, описывать взаимодействие реакций в нескольких кюветах. Если сопоставить одну пробирку отдельному нейрону, то связь между пробирками можно назвать синаптической связью. Таким образом, из пробирок с химической реакцией формируется искусственная нейросеть, или, в терминах набирающей популярность парадигмы резервуарных вычислений, “резервуар”. Резервуар – это самообучаемая часть сложных нейросетей; для считывания информации из него используют дополнительные обучаемые слои.
«Химический компьютер может работать так: ввод информации осуществляется перемешиванием в заданных пробирках, затем отслеживаются колебания во всем массиве пробирок оптическими датчиками, после чего производится анализ этой динамики с помощью внешней нейросети. Например, чтобы ввести двоичное число ‘10’, мы можем в течение некоторого времени перемешивать пробирку номер 1 и не перемешивать пробирку номер 2. Опыты с массивом связанных пробирок, проделанные зарубежными коллегами, показывают, что такой резервуар действительно имеет память».
