Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Автор
Рис.1. Модель перцептрона.
Рис.2. Схема полупроводникового наноразмерного нейрона.
Рис.3. Микро-изображение искусственного нейрона, полученное сканирующей электронной микроскопией. На верхнем увеличенном снимке показаны входные каналы, сходящиеся в одну точки у основания туннельного диода (сомы), который имеет два контакта для включения в цепь. Слева показано увеличенное изображение свободно стоящей pn-проволоки.
Корректный вариант таблицы

Можно ли создать «мыслящий» компьютер?

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, мнение, Наноазбука

Автор(ы): Самардак Александр Сергеевич

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

12 апреля 2009

Предлагаем Вашему вниманию самые оригинальные работы конкурса Эра совершенных компьютеров, организованного в рамках Третьей Всероссийской Интернет-олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в Будущее" компанией Т-Платформы. Автор:Самардак Александр Сергеевич

Все кто пролистывает газеты и хоть иногда смотрит телевизор, уже наслышан, что нанотехнологии – это всемогущий джин, исполняющий практически все желания человека.

- Слушай, джин, у тебя не найдется ну очень прочных ниток? Мой муж постоянно теряет верхнюю пуговицу пальто.

- Вот, Мадам, сверхпрочные, на основе углеродных нанотрубок1. Шейте на здоровье!

- А можно мне плащ-невидимку? Хочу укрыться от глаз людских.

- О, да, мой Повелитель. Вот он – плащ из наноматериала с отрицательным коэффициентом преломления2. Возьмите, только аккуратно, а то упадет, не найдете.

- А как насчет магнитных нанокубиков3? Мой сын любит поиграть в наноконструктор Lego под сканирующим электронным микроскопом.

- Нет проблем, мой Господин. Стройте нанодомики и развивайтесь!

Этот джин с милым именем «Нано» проник во все области человеческой деятельности, включая строительство (наноструктурированный кирпич), медицину (нанороботы для очистки сосудов от тромбов), и даже кулинарию (молекулярная кухня)4. Многое джин может и в электронике, а точнее, в наноэлектронике. Она потому так и зовется, что функциональные элементы в ней ну очень маленькие, глазом не видать. На неё то и возлагают большие надежды ученые и инженеры, пророча технологическую революцию, как только мы научимся создавать эффективные одноэлектронные транзисторы5 и атомную память (каждый отдельный атом, в которой может хранить бит информации)6. Но проблема в том, что эти все новинки позволят всего лишь повысить (но зато очень сильно!) быстродействие вычислительной техники и увеличить плотность хранения информации на твердотельных носителях. Эти чудо-машины так и не будут способны решать такие задачи, которые человеческий мозг «раскусывает» за считанные доли секунды. К таким задачам можно отнести распознавание различной информации, например, изображений, запахов, звуков, принятие решений на основе сложного логического вывода, классификацию различных объектов и даже прогнозирование жизненных ситуаций7. Обычный компьютер и даже суперкомпьютер может потратить на решение подобных задач века. Для их решения нужен компьютер, мыслящий как человек. Его еще называют нейрокомпьютером. Реализовать такую машину в «железе» непросто, но учеными уже накоплено достаточно знаний о функционировании головного мозга. К тому же у человечества есть мощное созидательное оружие – нанотехнологии, для которых невозможное – возможно.

В чем же сакраментальная идея нейрокомпьютера? Всё очень просто, он должен иметь параллельную архитектуру. Просим не путать с вычислительными кластерами для параллельных вычислений, которые являются лишь ансамблем параллельно подключенных последовательных процессоров. Настоящий параллельный компьютер должен иметь параллельный процессор, обрабатывающий информацию не байт за байтом, а поток за потоком, идущий через сеть отдельных вычислительных элементов (назовем их нейронами, по аналогии с базовыми элементами мозга). Каждый отдельный нейрон способен коммутировать с большим числом соседей для передачи сигнала по цепочке. Например, если реализовать концепцию искусственного зрения, то в таком нейрокомпьютере каждый отдельный пиксел цифрового «глаза» будет подключен к отдельному нейрону для обработки сигнала на входе и передаче его по нейронной сети к выходу. На выходе будет выводиться информация об изображении и, если нужно, будет осуществлен поиск среди ранее сохраненных в сети изображений. Такой нейрокомпьютер мог бы эффективно распознавать внешность преступников, находящихся в розыске и пытающихся ускользнуть из рук правоохранительных органов через аэропорты и вокзалы. Электронный «глаз» способен захватывать изображение лица человека и моментально проводить сравнение с лицами, хранящимися в сети. Всего пара наносекунд - преступник распознан, наручники защелкнуты.

Если провести сравнение обычного компьютера, который мы используем каждый день для работы и развлечений, и нейрокомпьютера, то окажется, что медленный нейрокомпьютер (мозг человека) обрабатывает образную информацию всё ещё намного быстрее традиционных ЭВМ, см. таблицу 1.

Таблица 1. Сравнение традиционного (последовательного) и нейро (параллельного) компьютеров

Традиционный компьютер

Нейрокомпьютер (мозг)

Архитектура

Последовательная

один CPU (105-106транзисторов)

Параллельная

1010-1011 нейронов

Процессор

Высокоскоростной (несколько ГГц)

108- 109 оп/с

Низкоскоростной (100 Гц)

1010оп/с

Память

Отделена от CPU

Интегрирована

Локализованная

Распределенная

Адресная

Ассоциативная

Вычисления

Централизованные

Распределенные

Хранимые программы

Самообучение

Пропускная способность

109 – 1010 бит/c

1014бит/c

Обработка информации

Символьные и численные операции

Восприятие и обработка образов

Надежность

Высокая уязвимость

Большая надежность

Как же создать нейрокомпьютер? И причем здесь нанотехнологии?

Попытаемся объяснить. Реализация параллельного компьютера осложняется из-за того, что трудно воплотить в «железе» все особенности реальной нейронной сети8. Во-первых, такая сеть должна быть пространственно-распределенной, т.е. электрический сигнал должен проходить по сети не мгновенно (как это происходит в обычной электрической цепи), а за какое-то конечное время. Во-вторых, каждый отдельный нейрон должен обладать встроенной функцией (порогом возбуждения), управляющей возбуждением передаваемого сигнала, если он достигает либо превышает предельное значение этой функции. В-третьих, нейрон должен суммировать сигналы, приходящие к нему от других нейронов сети. До недавнего времени реализовать устройство с подобными функциями не представлялось возможным, поэтому исследователи и инженеры ограничивались лишь искусственными нейронными сетями, созданными с помощью программного обеспечения на базе последовательного компьютера либо на основе сверхбольших интегральных микросхем9.

Еще пятьдесят лет назад американский физик Шокли10 высказал идею, что полупроводники подобны нервным волокнам и способны передавать взаимодействие при помощи электронов и дырок, которые имитируют поведение K+ и Na+ ионы в нервном волокне11. Другими словами полупроводник с pn-переходом – это подходящая среда для распространения и управления электрическими импульсами, подобная биологической мембране с калиево-натриевыми насосами, создающими разность потенциалов между внешней и внутренней стенками мембраны. Простая, но функциональная модель для реализации искусственного нейрона – это модель перцептрона12 или модель МакКаллога-Питтса. В такой модели (Рис.1) входные сигналы (Input1-3) с весовыми коэффициентами w1-3 (коэффициенты определяют вклад каждого отдельного входа) суммируются сомой (ядром нейрона). Если результирующий сигнал достигает либо выше установленного порога возбуждения, то сома генерирует импульс, распространяющийся по выходному каналу (аксону) к другим нейронам.

Применение нанотехнологических инструментов, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия13, нанолитография14, реактивное ионно-плазменное15 и влажное химическое травление16, позволяет создавать полупроводниковые нейроны, базирующиеся на модели перцептрона и точно моделирующие основные свойства биологических нейронов. Схема первого полупроводникового нейрона17, в разработке которого автор статьи принимал активное участие, представлена на рис.2.

Основой для искусственного нейрона может служить полупроводниковая подложка из таких материалов, как GaAs, Si, Ge. Как показано на схеме, сигналы от источников (других нейронов) S1-3 распространяются вдоль pn-перехода18 двух верхних легированных слоев, суммарная толщина которых может лежать в диапазоне от 80 до 200 нм. Такие нанопроводники должны быть изолированы от основной подложки для устранения утечек токов. Создание свободно стоящих нанопроводников – одна из сложных, но решаемых задач нанотехнологии. Для этого используется метод влажного кислотного травления через фоторезистивный шаблон. В точке соединения входных каналов (дендритов) сигналы суммируются. Результирующий сигнал «анализируется» туннельным диодом (сомой), который создается туннельным переходом между p+ и n+ (высоколегированными) слоями. Если сома возбуждается, то она генерирует импульс, распространяющийся вдоль pn-перехода к другим нейронам. Размеры нейрона могут ограничиваться только лишь технологическими пределами.

На рис.3 представлены изображения полупроводникового нейрона, полученного автором статьи под руководством Алана Ногарэ (Alain Nogaret) в Университете Бата (Великобритания)17. Созданный нейрон точно имитирует поведение своих биологических собратьев11. Это дает основание использовать его как основу для создания нейронной сети для будущего нейрокомпьютера. Допустим каждый отдельный нейрон будет занимать площадь 1 мкм2. Тогда на одном квадратном сантиметре можно будет расположить нейронную сеть из 108 нейронов. Такая сеть будет способна обучаться и затем решать ряд поставленных перед ней задач по логическому выводу и по распознаванию образов. На основе полупроводниковой нейронной сети могут быть построены модули ассоциативной памяти и параллельные процессоры для нового поколения компьютеров, а также нейрочипы для управления электронными стимуляторами сердца и протезирования головного мозга человека. Нейроимплантант может быть подключен к мозгу посредством углеродных нанотрубок19 и выполнять ряд мыслительных или мнемонических функций. В перспективе современные нанотехнологии позволят создавать сверхминиатюрные нейросети и нейрокомпьютеры, которые, возможно, станут основой вычислительных технологий недалекого будущего человечества.

Ссылки:

  1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Углеродные_нанотрубки
  2. http://lenta.ru/articles/2008/08/11/cloak/
  3. http://www.nanometer.ru/2009/03/15/nanostructure_131274.html
  4. http://moikompas.ru/compas/molecular_gastronomy
  5. http://rnd.cnews.ru/tech/news/top/index_science.shtml?2008/04/21/297996
  6. http://www.osp.ru/cw/2002/35/56019/
  7. http://ru.wikipedia.org/wiki/Нейронная_сеть
  8. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника. Теория и практика.- М.:Мир, 1992.
  9. Тарков М.С. Нейрокомпьютерные системы. – М.: Интернет-Ун-т Информ. Технологий : Бином. Лаборатория знаний, 2006. - 142 с.
  10. http://en.wikipedia.org/wiki/William_Shockley
  11. http://ru.wikipedia.org/wiki/Нейрон
  12. http://ru.wikipedia.org/wiki/Перцептрон
  13. http://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_beam_epitaxy
  14. http://www.nanometer.ru/2008/11/01/nanolithography_54398.html
  15. http://www.oxfordplasma.de/techno_r/rie.htm
  16. http://en.wikipedia.org/wiki/Etching_(microfabrication)
  17. Samardak A.S., Taylor S., Nogaret A., Farrer I., Ritchie D.A., An Analogue Sum and Threshold Neuron based on the Tunnel Amplification of Electrical Pulses, N.J.Phys., 10 (2008) 083010.
  18. http://en.wikipedia.org/wiki/P-n_junction
  19. http://gradusnik.ru/rus/doctor/nano/w57k-nanomed1

Прикрепленные файлы:
samardak.doc (1.04 МБ.)

 

В статье использованы материалы: Творческий тур


Средний балл: 8.7 (голосов 6)

 


Комментарии
Прошу воздержаться от любых личных замечаний в отношении автора. Буду удалять без сожаления, как и во всех публикациях данной серии. Приветствуются только рассуждения по существу!
По моему, уж слишком утрировано говорить что, нейрокомпьютер мыслит как человек. Тем более говорить вообще, о нейрокомпьютере, что он "мыслит". Нейрокомпьютер, очень хороший инструмент, для решения большого количества задач, но не более. От моделирования нейрона до создания "мыслящего" компьютера как до луны пешком.
Гусев Михаил Анатольевич, 17 апреля 2009 09:51 
Неплохо, но никакого нового материала нет (практически). На счет того, какую именно архитектуру должен иметь компьютер (в т.ч. "нейро"), на самом деле, не "все просто" :) Потом, для мыслительных операций компьютеру, например, нужен соответствующий вычислительный алгоритмический аппарат и элементная база - что по сложности превосходит задачу моделирования нейрона и т.д.
Пресс-центр, 17 апреля 2009 10:01 
Михаил Анатольевич, а Вы сначала вот такое опубликуйте: Samardak A.S., Taylor S., Nogaret A., Farrer I., Ritchie D.A., An Analogue Sum and Threshold Neuron based on the Tunnel Amplification of Electrical Pulses, N.J.Phys., 10 (2008) 083010. - а потом и говорите
Гусев Михаил Анатольевич, 17 апреля 2009 10:44 
хе хе хе.
Михаил Анатольевич, для того что бы понять, как будут устроены логические элементы и нейронные сети на основе полупроводникового нейрона, можете прочесть статью:
A. Nogaret, N. Lambert, S. Bending, and J. Austin, Eu-
rophys. Lett. 68, 874 (2004).
Л В А, 15 октября 2009 02:36 
Можно не только на диодах. При размерах ниже 10нм проще уже на волновых функциях электронов гуляющих в определённых пределах одномерного проводника. Или то же на свете. Только сие посложнее будет. Покойный Денисюк в последние годы жизни занимался проблемой бездиссипативных вычислений, в т.ч. в разговоре обмолвился и о возможности такого рода, т.к. переноса заряда не будет, но это и не чисто спиновый логич элемент тоже. Неведома зверушка.
Л В А, 15 октября 2009 02:41 
Вообще же данные работы традиционно спонсируют военные и биржевые спекулянты класса Сороса. Но видимо не у нас. Очень эффективна при распознавании большого количества данных и при селекции цели.
Конкуретн лишь один видел - матрицы простых 4-8битных процессоров микроскопического размера, соединённых оптически. Ранее рисовал такие для израильтян. Надо думать сейчас стоит в тех РЛС, которые Индии поставили, а может и себе оставили.

Минус чисто аппаратной реализации таков - плохо перестраиваются. Долго учить. Непонятно как переносить нужный паттерн на др. системы, это не программная реализация, где веса в сети передал с архитектурой, и пр. на этом всё закончилось. Её ж учить придётся по новой на тестах.

Частично это было решено в нейросетях на голографич. корреляторах, к примеру:
В.К. Соколов, Е.И. Шубников, "Оптические нейронные сети на базе голографических корреляторов", Квант. электроника, 1995, 22 (10), 1067–1071

Вероятно на настоящий момент наиболее осведомлённый человек по данной тематике Павлов Александр Владимирович из ГОИ-ИТМО
Ирония не совсем уместна. История знает примеры воплощения научных и ненаучных фантазий. Например, фантазий из "Гиперболоида инженера Гарина" и Герберта Уэльса "Из пушки на Луну".Ждём...

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Скол кристалла поваренной соли
Скол кристалла поваренной соли

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Нитрид-борные нанокомпозиты для доставки лекарств. 2D наноматериалы помогут создать портативную искусственную почку. Обзор по cтрейнтронике. Доставка лекарств с помощью борнитридных фуллеренов. Речные фуллерены. Научный хит-парад 2018 по версии APS

Лекция Константина Севернинова: от бактериального иммунитета к геномному редактированию
20 декабря состоялась лекция молекулярного биолога, профессора Константина Северинова.
На лекции обсуждались вопросы: какова природа генетических болезней, и сможем ли мы лечить их в ближайшем будущем; что такое система CRISPR-Cas, и как бактерии используют её для борьбы с вирусами, и как изучение этого необычного механизма привело к созданию мощного инструмента геномного редактирования.

Наносистемы: физика, химия, математика (2018, том 9, № 6)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume9/9-6
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Почувствовать живое...
Е.А.Гудилин, А.А.Семенова, Н.А.Браже
Неразрушающее исследование живых клеток и клеточных структур является в настоящее время важным направлением научных изысканий, которые во многих зарубежных и российских научных группах направлены на достижение вполне прагматической цели – разработку новых принципов биомедицинской диагностики и эффективных подходов в нарождающейся персональной медицине.

Российская газета: Перевернуть пирамиду. Президент РАН: как повысить наши шансы на Нобеля
Юрий Медведев
Почему Россия по числу Нобелей отстает от ведущих стран мира, уступая, например, даже маленькой Швейцарии? Замалчиваются ли достижения отечественных ученых? Почему без привлечения в науку российского бизнеса мы не сможем успешно конкурировать в борьбе за престижную научную премию? Об этом корреспондент "РГ" беседует с президентом РАН Александром Сергеевым, который побывал в Стокгольме на вручении Нобелевских премий и поделился своими впечатлениями.

Эффект лотоса
Никельшпарг Эвелина Ильинична
Кратко и поэтично об одном из самых известных эффектов, который так любят школьники и участники наноолимпиады - об эффекте лотоса...

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.