گام‌هایی به سوی تراشه‌ی محاسبه‌گر شبه مغز مبتنی بر نور

مفهوم تراشه‌ی مغز
اعتبار: © Petrovich12 / Adobe Stock
 

تکنولوژی‌ای که مانند یک مغز عمل می کند؟ در این زمانه‌ی هوش مصنوعی، به عنوان مثال وقتی که یک تلفن همراه می تواند چهره یا زبان را تشخیص دهد، این دیگر خیلی دور از ذهن به نظر نمی رسد. با این حال، با استفاده از برنامه های پیچیده تر، رایانه ها همچنان به سرعت از پس محدودیت های خود بر می آیند. یکی از دلایل این امر این است که رایانه به طور سنتی دارای حافظه و پردازنده های جداگانه است - نتیجه این است که تمام داده ها مرتباً باید بین این دو فرستاده و پس فرستاده شود. در این راستا، مغز انسان حتی از کامپیوترهای مدرن پیشی می گیرد؛ زیرا پردازش و ذخیره اطلاعات در همان مکان - در سیناپس ها و یا ارتباط بین نورون ها، که یک میلیون میلیارد از آنها در مغز وجود دارد - صورت می گیرد. یک تیم بین المللی از محققان از دانشگاه های مونستر (آلمان)، آکسفورد و اکستر (هر دو انگلستان) در حال حاضر موفق به توسعه یک قطعه سخت افزار شده اند که می تواند راه را برای ایجاد کامپیوتر هایی شبیه مغز انسان هموار کند. دانشمندان موفق به تولید یک تراشه حاوی شبکه عصبی مصنوعی شدند که با نور کار می کنند و می توانند رفتار نورون ها و سیناپس های آنها را تقلید کنند.
 
محققان توانستند نشان دهند که چنین شبکه نور و سینپتیک نوری قادر است اطلاعات را "یاد بگیرد" و از آن به عنوان پایه ای برای محاسبه و شناخت الگوها استفاده کند – همان طور که مغز می تواند چنین کند. چون سیستم تنها با نور و نه با الکترون های سنتی عمل می کند، می تواند داده ها را چندین بار سریعتر پردازش کند. پروفسور ولفامپریس از دانشگاه مونستر و شریک رهبری در این مطالعه می گوید: "این سیستم فوتونیک یکپارچه یک نقطه عطف تجربی است." "این روش می تواند بعدا در بسیاری از زمینه های مختلف برای ارزیابی الگوها در مقادیر زیادی از داده ها، به عنوان مثال در تشخیص های پزشکی، استفاده شود." این مطالعه در مجله نیچر منتشر شده است.
 

اکثر رویکردهای موجود مربوط به شبکه های به اصطلاح نورومورفیک  مبتنی بر الکترونیک هستند، در حالی که سیستم های نوری - که در آن‌ها از فوتونها، یعنی ذرات نور، استفاده می شود، هنوز در دوران کودکی خود هستند. اصلی که دانشمندان آلمانی و بریتانیایی در حال حاضر ارائه می دهند، به این شرح کار می کند: موجبرهای نوری که می توانند نور را انتقال دهند و می توانند در میکروچیپ های اپتیکی ساخته شوند با مواد به اصطلاح تغییر فاز، که امروزه در رسانه های ذخیره سازی مانند دی وی دی قابل نوشتن مجدد یافت می شوند، ترکیب می شوند. این موادِ تغییر فاز دارای این مشخصه هستند که آنها خواص اپتیکیشان را به طور چشمگیری تغییر می دهند، بسته به اینکه آیا آنها کریستالی هستند - زمانی که اتم های آنها خود را به طور مرتب نظم می دهند - یا آمورف هستند - هنگامی که اتم های آنها خود را به صورت نامنظم سازماندهی می کنند. اگر یک لیزر دمای مواد را بالا ببرد، این تغییر فاز می تواند توسط نور رخ دهد. جانز فلدمن، نویسنده راهبر، که بسیاری از آزمایش ها را به عنوان بخشی از پایان نامه دکترای خود، در دانشگاه مونستر، انجام داد، می گوید: "به دلیل اینکه ماده به شدت واکنش نشان می دهد و به طور چشمگیری تغییر می کند، بسیار مناسب است که تقلید سیناپس ها و انتقال ضربانهای بین دو نورون را به دست آورد."

 

در مطالعه خود، دانشمندان برای نخستین بار موفق به ادغام مواد تغییر فاز نانو ساختار به داخل یک شبکه نوروسینپتیک شدند.  محققان یک تراشه با چهار نورون مصنوعی و مجموع 60 سیناپس ایجاد کردند. ساختار تراشه که متشکل از لایه های مختلف است، براساس تکنولوژی چند منظوره تقسیم شده با طول موج است که فرایندی است که نور در کانال های مختلف درون نانوساختار نوری انتقال می یابد.
 
به منظور تست این که تا چه میزان سیستم قادر به تشخیص الگوها است، محققان با استفاده از دو الگوریتم مختلف یادگیری ماشین، اطلاعاتی را به شکل پالس های نوری به آن می خورانانند. در این فرآیند یک سیستم مصنوعی از نمونه یاد می گیرد و در نهایت می تواند آنها را تعمیم دهد. در مورد دو الگوریتم مورد استفاده – هم در یاد گیری به اصطلاح نظارت شده و هم در یاد گیری نظارت نشده - شبکه مصنوعی در نهایت قادر بود بر اساس الگوهای نوری داده شده، یک الگوی در حال پیگیری شدن را تشخیص دهد – که یکی از آنها چهار حرف متوالی بود. دانشمندان موفق به تولید یک تراشه حاوی شبکه عصبی مصنوعی شدند که با نور کار می کنند و می توانند رفتار نورون ها و سیناپس های آنها را تقلید کنند. ولفرام پرنیس می گوید: "سیستمِ ما ما را قادر ساخته است که گامی مهم در جهت ایجاد سخت افزار کامپیوتری برداریم که به گونه ای مشابه با نورون ها و سیناپس ها در مغز عمل می کند و همچنین قادر به کار بر روی وظایف دنیای واقعی است." نویسنده همکار، پروفسور هریش بهاسکاران از دانشگاه آکسفورد، اضافه می کند: "با کار با فوتون ها به جای الکترون ها، ما می توانیم به طور کامل از پتانسیل شناخته شده فناوری های نوری بهره ببریم - نه تنها برای انتقال داده ها، همان طور که تا کنون بوده است، بلکه همچنین برای پردازش و ذخیره آنها در یک مکان."
 
یک مثال بسیار خاص این است که با کمک چنین سخت افزاری، سلولهای سرطانی می توانند به طور خودکار شناسایی شوند. با این حال، قبل از این که برنامه های کاربردی به واقعیت تبدیل شوند، باید کار بیشتری انجام شود. محققان باید تعداد نورون های مصنوعی و سیناپس ها را زیاد کنند و عمق شبکه های عصبی را افزایش دهند. برای مثال می توان این کار را با تراشه های نوری با استفاده از تکنولوژی سیلیکون انجام داد. نویسنده همکار و رهبر پروژه  Fun-COMP، پروفسور سی دیوید رایت از دانشگاه اِکسِتر، می گوید: "این گام قرار است در پروژه مشترک اتحادیه اروپا، "Fun-COMP"، با استفاده از پردازش ریخته گری برای تولید نانو چیپ ها برداشته شود."
 

منبع: مطالب ارائه شده توسط دانشگاه مونستر