Вдъхновените от мозъка компютри се нуждаят от главен план


Ако е необходимо невроморфно изчисление, как може да бъде постигнато? Първо, техническите изисквания. Обединяването на различни изследователски общности е необходимо, но не е достатъчно. Необходими са стимули, възможности и инфраструктура. Невроморфната общност е различна, без фокуса на квантовите изчисления или ясната пътна карта на полупроводниковата индустрия. Инициативите по целия свят започват да събират необходимия опит и набира скорост в ранен етап. За да се насърчи това, финансирането е от ключово значение. Инвестициите в невроморфни изследвания не са далеч от мащаба на тези в цифровия AI или квантовите технологии (Каре 2). Въпреки че това не е изненадващо предвид зрелостта на цифровите полупроводникови технологии, това е пропусната възможност. Има няколко примера за средномащабни инвестиции в невроморфни изследвания и разработки, като гамата от проекти, вдъхновени от мозъка на IBM AI Hardware Centre (включително чипа TrueNorth), разработката на Intel на процесора Loihi и проекта на US Brain Initiative, но ангажираните суми са доста под това, което би трябвало да им се даде като обещанието на технологията да наруши цифровия AI.

Невроморфната общност е голяма и растяща, но такава, на която липсва фокус. Въпреки че има многобройни конференции, симпозиуми и списания, които се появяват в това пространство, остава много работа, която трябва да се направи, за да се обединят различните общности и да се обединят усилията им да убедят финансиращите органи и правителствата във важността на тази област.

Времето е назряло за смели инициативи. На национално ниво правителствата трябва да работят с академични изследователи и индустрията, за да създадат ориентирани към мисия изследователски центрове, за да ускорят развитието на невроморфните технологии. Това работи добре в области като квантовите технологии и нанотехнологиите – Националната инициатива за нанотехнологии на САЩ демонстрира това много добре10и осигурява фокус и стимул. Такива центрове могат да бъдат физически или виртуални, но трябва да обединяват най-добрите изследователи в различни области. Техният подход трябва да бъде различен от този на конвенционалните електронни технологии, при които всяко ниво на абстракция (материали, устройства, схеми, системи, алгоритми и приложения) принадлежи на различна общност. Нуждаем се от холистичен и паралелен дизайн в целия стек. Не е достатъчно за дизайнерите на схеми да се консултират с изчислителни невролози, преди да проектират системи; Инженерите и невролозите трябва да работят заедно през целия процес, за да осигурят възможно най-пълно интегриране на биологично вдъхновени принципи в хардуера. Интердисциплинарното съвместно творчество трябва да бъде в основата на нашия подход. Изследователските центрове трябва да разполагат с широк кръг от изследователи.

Наред с необходимата физическа и финансова инфраструктура, имаме нужда от обучена работна сила. Електронните инженери рядко са изложени на идеи от невронауката и обратно. Дизайнерите на схеми и физиците може да имат мимолетни познания за невроните и синапсите, но е малко вероятно да са запознати с най-модерната изчислителна невронаука. Има сериозни аргументи за създаване на магистърски курсове и програми за докторско обучение за разработване на невроморфни инженери. Изследователските съвети на Обединеното кралство спонсорират Центрове за докторско обучение (CDT), които са фокусирани програми, подкрепящи области с установена нужда от обучени изследователи. CDT могат да бъдат едно- или многоинституционални; има значителни ползи за институциите, които си сътрудничат по тези програми чрез създаване на допълващи се екипи отвъд институционалните граници. Програмите обикновено работят в тясно сътрудничество с индустрията и изграждат кохорти от висококвалифицирани изследователи по начини, които по-традиционните докторски програми често не го правят. Има добър случай да се разработи нещо подобно, за да се стимулира взаимодействието между зараждащите се невроморфни инженерни общности и да се осигури следващото поколение изследователи и изследователски лидери. Пионерските примери включват изследователската програма за когнитивни системи и материали в Groningen, която има за цел да обучи десетки докторанти специално в материали за когнитивни (AI) системи11магистърска програма по невроинженерство в Техническия университет в Мюнхен12; ETH Zurich курсове за проектиране на аналогови схеми за невроморфно инженерство13; мащабно невронно моделиране в Станфордския университет14; и развитие на зрителни невроморфни системи в Института по микроелектроника в Севиля15. Има възможност да се направи много повече.

Подобни подходи биха могли да работят на транснационално ниво. Както винаги в научните изследвания, сътрудничеството е най-успешно, когато е най-добре да се работи с най-добрите, независимо от границите. В такова интердисциплинарно начинание като невроморфното изчисление това е от решаващо значение, така че международните изследователски мрежи и проекти несъмнено имат роля. Ранните примери включват европейския консорциум Neurotech16с фокус върху невроморфните изчислителни технологии, както и Chua Memristor Center в Университета в Дрезден17, който обединява много от водещите изследователи на мемристори в различни материали, устройства и алгоритми. Отново може и трябва да се направи много повече.

Как може това да се направи привлекателно за правителствата? Ангажиментът на правителството към по-енергийно ефективни био-вдъхновени компютри може да бъде част от по-широк мащабен тласък за декарбонизация. Това не само ще се справи с изменението на климата, но и ще ускори появата на нови, нисковъглеродни индустрии около големи данни, интернет на нещата, анализ на здравеопазването, моделиране за откриване на лекарства и ваксини и роботика, наред с други. Ако съществуващите индустрии разчитат на все по-мащабни конвенционални цифрови анализи на данни, те увеличават разходите си за енергия, като същевременно предлагат неоптимална производителност. Вместо това можем да създадем добродетелен кръг, в който значително да намалим въглеродния отпечатък на технологиите на знанието, които ще движат следващото поколение разрушителни индустрии и по този начин ще създадем множество нови невроморфни индустрии.

Ако това звучи трудно, помислете за квантовите технологии. В Обединеното кралство досега правителството е ангажирало около 1 милиард британски лири за редица квантови инициативи, до голяма степен под шапката на Националната програма за квантови технологии. Серия от изследователски центрове, обединяващи индустрията и академичните среди, превеждат квантовата наука в технологии, насочени към сензори и метрология, изображения, комуникации и компютри. Отделен Национален квантов компютърен център се основава на работата на хъбовете и други изследователи за предоставяне на демонстрационен хардуер и софтуер за разработване на квантов компютър с общо предназначение. Китай създаде многомилиардна (щатски) долари Китайска национална лаборатория за квантови информационни науки, а САЩ през 2018 г. поръчаха Национален стратегически преглед на квантовата информационна наука18което доведе до петгодишна инвестиция от 1,2 милиарда щатски долара, в допълнение към подкрепата на редица национални центрове за квантови изследвания19. Благодарение на тази изследователска работа имаше глобален бързане за стартиране на компании за квантови технологии. Един анализ установи, че през 2017 и 2018 г. финансирането за частни компании е достигнало 450 милиона долара20. Не съществува подобна обединена поддръжка за невроморфните изчисления, въпреки че технологията е по-утвърдена от квантовата и въпреки потенциала й да наруши съществуващите AI технологии в много по-кратък период от време. От трите направления на бъдещите компютри в нашата визия, невроморфният е ужасно недостатъчно инвестиран.

И накрая, няколко думи за това какво влияние може да има пандемията от COVID-19 върху нашите аргументи. Налице е нарастващ консенсус, че кризата е ускорила много събития, които вече са в ход: например преминаването към повече домашна работа. Въпреки че намаляването на пътуването до работното място и пътуванията има преки ползи – някои оценки показват намаляването на глобалните CO2 в резултат на кризата до 17%21— новите начини на работа имат цена. До каква степен спестяванията на въглерод от намалено пътуване ще бъдат компенсирани от увеличените емисии на центъра за данни? Ако не друго, пандемията на COVID допълнително подчертава необходимостта от разработване на нисковъглеродни изчислителни технологии като невроморфни системи.

Нашето послание за това как да реализираме потенциала на невроморфните системи е ясно: предоставяне на целева подкрепа за съвместни изследвания чрез създаване на изследователски центрове за върхови постижения; предоставят гъвкави механизми за финансиране, за да се даде възможност за бърз напредък; осигуряване на механизми за тясно сътрудничество с индустрията за привличане на търговско финансиране и генериране на нови отдели и стартиращи предприятия, подобно на съществуващите схеми за квантовата технология; разработване на програми за обучение за следващото поколение невроморфни изследователи и предприемачи; и правете всичко това бързо и в мащаб.

Невроморфните изчисления имат потенциала да трансформират нашия подход към AI. Благодарение на съчетанието на новите технологии и огромното, нарастващо търсене на ефективен AI имаме навременна възможност. Необходимо е смело мислене и смели инициативи в подкрепа на това мислене. Ще се възползваме ли от възможността?