Я — типичный гуманитарий, который, однако, тесно взаимодействует с айтишниками, физиками, математиками, любит технологии и погружается в вопросы искусственного интеллекта. Особенно это приятно и удобно делать, когда ты работаешь в стенах крупнейшего университета и можешь легко задать вопросы коллегам. А, как известно, если человек в чём‑то глубоко разбирается, он способен объяснить предмет на пальцах. И вот занесли меня деловые вопросы на физический факультет, где проходил семинар по мемристорам. Сказать, что было страшно непонятно — не сказать ничего. Но рассказы коллег‑учёных о тонкостях и сложностях подбора химического состава компонентов просто заворожили — настолько это сложный, глубокий, профессиональный подход, сочетающий химию, физику, математику… Пользуясь случаем, я поговорила о мемристорах с к. ф‑м. н. Алексеем Михайловым, который как раз руководит научно‑исследовательской лабораторией «Лаборатория мемристорной наноэлектроники» ННГУ. Получился трогательный, умный и на редкость понятный монолог о философии мемристоров. Делюсь им с вами.
«Начнём с того, что эффект памяти, память — это, по сути, явление природы. Стоит сказать, что мемристоры — это фактически открытие в контексте нашего познания природы. Это открытие сделал Леон Чуа, очень известный американский учёный, инженер, исследователь. Он был известен задолго до того, как придумал мемристоры. Точнее, не придумал, а открыл, — он сам подчёркивает, что открыл мемристоры буквально как явление природы. В чём‑то это можно сравнить с открытием электричества или рентгеновского излучения.
Это такое же глобальное явление, которое везде, во всём, себя проявляет. Его можно найти в любых формах и в любых системах природы. Леон Чуа сам не сразу пришёл к такому обобщённому пониманию: будучи инженером, который занимался схемотехникой, изучал сложные нелинейные схемы, он начинал с простых вещей. Есть такие «цепочки Чуа» — схемки, из которых можно в итоге собрать сложные системы.
Он друг наших радиофизических школ, в которых работали такие учёные, как Шильников, Некоркин (кстати, учитель Виктора Борисовича Казанцева). Сам Виктор Борисович ездил к Чуа в Америку, у них выходили совместные статьи. Леон Чуа приезжал и на наши конференции, которые проводил ИПФ РАН (кстати, они проводятся до сих пор).
Тогда ещё не было мемристоров как таковых, но уже знали как теоретический, гипотетический элемент. И это был прорыв, причём не только и не столько технологий, сколько философского осмысления нашего мира, нашей природы, которая «настроена» таким образом, чтобы запоминать какие‑то вещи. Это открытие опережало время. Леон Чуа открыл мемристоры в 1971 году, в 1976 описал их, уже будучи прославленным учёным. А потом... как будто забыл про них. Пока ему в 2008 году не напомнил Стэнли Уильямс из HP Labs, который написал Чуа письмо о том, что нашёл подтверждение существования мемристора.
Пришёл он к ним, потому что у него в голове особым образом сошлись два явления: одно — резистивное переключение, которое начали изучать ещё в прошлом веке, второе — тонкоплёночные наноструктуры. Чтобы видеть эффект запоминания, как в мемристоре, нужно, чтобы диэлектрические плёночки были толщиной, например, 10 нм, важно, чтобы были определённые зёрна и филаменты. Как раз в 2000-м году случилось начало нанотехнологий, а в начале 2000-х люди научились получать и воспроизводить необходимые для экспериментов наноструктуры.
И вот этот человек, Стэнли Уильямс, вспомнил работу про мемристоры Леона Чуа 1976 года, взял его формулы и, в общем, всё получилось. Причем, у него работали талантливые ребята. Один из них — выпускник МФТИ Дима Струков, из Китая пару‑тройку человек взяли. И эти люди научились делать такие структуры и увидели, что явление воспроизводимо и уже наблюдалось, поэтому его нельзя было не заметить, оставалось его описать. Они и Стэнли Уильямс прямо вцепились в это направление и раскрутили его вплоть до плоскости коммерциализации. А сами эти люди теперь‑ настоящие звёзды науки. У каждого из них по стартапу, они привлекают миллионные инвестиции, делают какие‑то продукты. То есть, в каком‑то смысле начался бум.
Получился вот такой интересный феномен в истории науки, когда от понимания законов природы, от чего‑то фундаментального и теоретического человечество быстро прошло путь до экспериментального обнаружения и практического применения. Этот шаг с развитием человечества, с развитием науки становится всё короче.
Сейчас приближается новая технологическая революция и вот там, в индустрии 4.0, как раз всё и будет построено на таких умных элементах. И если какое‑то время мемристоры существовали как бы сами по себе, то сейчас пришло время использовать их для целей человечества.
Сегодня наша задача — комплексно изучить мемристоры, рассмотреть проблемы материаловедения и тоже начать воссоздавать фактически природное явление запоминания в промышленных масштабах.
Но пока вернёмся к Леону Чуа, к вопросу, почему он тогда явление заметил и почему оно только сейчас находит своё применение.
Он, как инженер, как схемотехник, придумывал схемки, в частности, для нелинейной динамики.Он взял модель нейрона Ходжкина‑Хаксли, то есть искусственный нейрон, такая схемка, которая ведет себя как биологический нейрон.
Рассуждения об этом «нейроне» и о человеческом мозге навели его на мысль, что есть некий элемент, который реализует эффект памяти, эдакий нелинейный резистор, двухполюсник. Далее он нашел другие примеры, сразу же увидел, что термистор по сути тоже мемристор, он его тоже может описать. Это элемент памяти, в общем, ну, по определению это резистор с памятью.
Резистор — это сопротивление, оно может быть электрическим сопротивлением, может быть сопротивлением любого рода, это некий коэффициент, который как бы влияет.
на прохождение информационного сигнала. Этим сигналом или носителем информации может быть электрон, как в нашем случае, тогда это значит такой электронный мемристор, это может быть фотон, тогда это фотонный мемристор. Может быть даже квантовый мемристор.
Главное, работа памяти — это универсальное явление, которое может быть в разных материалах, в разных системах, в любых классических, квантовых, в живых, неживых.
Точно так же, как мемристор, себя ведет синапс в нейронной сети, в живой, в нервной системе: грубо говоря, его пропускная способность также хранит память о предыдущих сигналах, которые через него проходили, и он как раз ее меняет в процессе прохождения этих сигналов.
И вот, сходство мемристора и синапса — это, по сути, удивительное единение живой и неживой природы. У Леона Чуа, кстати, даже статья такая была в 2010 году — «Мозг сделан из мемристоров». И как раз в 2010–2011 мы в ННГУ подключились к изучению мемристоров. Мы были молодыми, на самой первой волне интереса к мемристорам.
Мы сегодня много говорим о философии мемристоров. Есть и ещё один аспект — это же возможность обеспечить человеку жизнь, реабилитацию. Например, после травмы повреждены какие‑то участки головного мозга, и мемристоры смогут их заменить, стать «новыми нейронами». Но, конечно, это большой вызов, в том числе с точки зрения и морали. Например, не будет ли такой человек не самим человеком, а его электронным двойником? Но, конечно, это проблема даже не завтрашнего дня, до ее решения еще очень далеко.
Вообще, будущее за гибридными системами. Гибридный интеллект — это био‑ или нейро‑гибридные системы, как мы их называем. То есть, когда человек остается человеком, но к нему добавляются какие‑то механизмы, технические системы, которые с ним прямо физически сопряжены и управляются, и его же мозг расширяет возможности, его тело обретает новые силы.
(«Получается прямо современное воплощение истории о Франкенштейне и его Создании», — подумал мой внутренний филолог, кандидат филологических наук по английской литературе‑ ЛМ)!
Кстати — кто я, автор? Людмила Макарова, к. филолог. н., руководитель Центра применения ИИ в журналистике и массовой коммуникации. Мы много взаимодействуем с инженерами, математиками, физиками, айтишниками нашего университета, чтобы развивать совместные идеи в рамках проекта «Приоритет 2030». Так почему бы не поговорить с коллегами об их перспективных и сложных научных задачах?
В ННГУ для изучения мемристоров многое сошлось. В 2015 году Виктор Борисович Казанцев, будучи проректором по науке, увидел зарождающееся направление и дал зелёный свет нам, молодым учёным, в том числе, представителям нейронаук и нейротехнологий. У нас стартовал междисциплинарный научный проект, объединивший мемристоры и микроэлектродные матрицы для живых систем. Стало, например, очевидно, что те уравнения, которые применялись к разным сложным живым и неживым системам, такие как уравнения Ланжевена и Фоккера - Планка, это просто более общие уравнения для описания мемристора. То есть уравнение, которое Леон Чуа использовал для описания мемристора, является ничем иным, как частным случаем уравнения Ланжевена. Примерно в те же годы Аркадий Михайлович Сатанин писал подобные уравнения для динамики квантовых систем, - и уже сразу было понятно, что это тоже мемристор, только квантовый.
Так что мемристоры — это один из шагов на пути к созданию искусственного разума, который будет не просто хранить информацию в микросхемах памяти, но и обрабатывать её в этих же элементах. Вот мы смотрим на современный искусственный интеллект и удивляемся, восхищаемся, а ведь он, по сути, слабый. И основная его слабость в тех технологиях, которые обеспечивают его физическую реализацию — графические процессоры, тензорные процессоры. Работа того же GPT крайне дорога и энергоёмка, требует колоссального количества воды в том числе. И вся эта инфраструктурная инженеризация оказывается достаточно неэффективной для таких технологий. Так что зима искусственного интеллекта близко :-)
Ещё несколько интересных фотографий
Она грядёт, потому что «перегретое» ожидание общества от результатов искусственного интеллекта, в итоге, сменится разочарованием из‑за того, что вот это всё существующее железо не потянет просто эти возможности. И чтобы не было такой зимы, мы как раз готовим опережающими темпами новое железо на мемристорах для нового интеллекта и в перспективе — сильного интеллекта, который как раз будет близок уже к естественному. В идеале это должен быть гибридный интеллект, симбиоз машины и человека.
Проект по развитию мемристоров — комплексный, многоуровневый, междисциплинарный. Он включает ряд важных, ключевых задач.
Первая задача — материаловедческие вопросы. Из чего должны быть сделаны составляющие компоненты мемристора, какие материалы максимально оптимизировать работу элемента?
Вторая — технологическая. Мы должны каким‑то образом встроить мемристоры в существующую систему современной микроэлектроники. Здесь нам очень помогает НИИИС.
Третья задача — нейроморфные системы, которые по образу и по форме, по существу, теперь уже копируют архитектуру и механизмы работы нервной системы. Это аппаратные нейронные сети, которые имитируют, повторяют устройство реальной, живой нервной системы.
Четвёртая задача — биологическая, которая решает проблему подготовки биологических систем для симбиоза с искусственными системами. Пока это модели мозга, например, выращенная в пробирке культура из клеток мозга. Это такие крошечные искусственные отделы мозга, которые развиваются по законам природы и генерируют сетевую активность. Также для этих целей можно использовать отдельные срезы реального биологического мозга. Вот с этими моделями мы уже можем проверять работу симбиоза, сопрягать с искусственными системами.Мы это делаем и с культурами, и со срезами, и наши искусственные сети в таких двунаправленных нейроинтерфейсах работают вместе с этими моделями мозга. Мы доказываем эффективность таких адаптивных нейроинтерфейсов.
Пятая задача и, пожалуй, ключевая, это нейрогибридные или биогибридные системы. Это когда мы берем и собираем вместе искусственные системы из мемристров и живые модели мозга, которые готовы к этому сопряжению, которые могут генерировать какие‑то сигналы, а мы их можем обрабатывать с помощью искусственной нейронной сети на основе мемристоров, выдавать результат, использовать для обратной связи, для стимуляции вот этой пробирочной культуры или модели мозга. И получается такой замкнутый круг, такой адаптивный нейроинтерфейс, и та, и другая система, они друг на друга реагируют, обучаются в процессе взаимодействия, адаптируются. Это основа новых технологий нейропротезирования, нейрорегуляции.
Сейчас это можно рассматривать в перспективе до 2050 года.
Но надо понимать, что в любом комплексном проекта всегда есть линейка продуктов, даже целый спектр. И если нейроинтерфейсы это ближе к середине XXI века, то есть продукты, которые нужны прямо сейчас и мы стремимся выдать максимальный уровень готовности технологий — например, микросхемы памяти на основе мемристоров.
Важно, что мемристоры — это особенная компьютерная память. Существующие сегодня носители имеют массу недостатков: часть из них просто очень медленные (для современного уровня технологий), часть — слишком дорогие и малоэффективные в плане использования ресурсов. А ещё традиционные элементы памяти имеют общую проблему — они хранят заряд. А то, что заряд хранится, и есть состояние памяти. Поскольку природа всегда стремится к электронейтральности, заряд всё время хочет куда‑то утечь и, собственно, утекает. От этого все виды памяти страдают.
Память на мемристорах — совершенно другого рода.Она в состоянии среды, через которую проходит информационный сигнал.
Ну и да, возвращаясь к очень модной теме искусственного интеллекта — думаю, что, в конечном итоге, все эти «думающие нейронки» будут точно работать на мемристорах».
Удивительно осознавать, что ты бок о бок работаешь с учёными, которые развивают такие сложные, важные и технологичные проекты. И главное, что это касается не только отдельно взятой лаборатории или НИИ, это касается Университета в целом. Многие проекты взаимосвязаны, коллеги‑учёные работают над совместными задачами, обсуждают, принимают решения, развивают студентов, строят науку будущего, которая, по сути, уже есть здесь и сейчас. От мыслей об этом иногда просто захватывает дух!
Честно говоря, стало намного понятнее, к тому же я опустила многие технические объяснения, которые на Хабре всем известны. А вот менее страшно не стало. Удивительно и жутко осознавать, какие научные достижения уже сейчас есть у человечества и какие пути они открывают. Думается одно: лишь бы это были пути добра и созидания. Иначе…
И да, поступайте на физический факультет, поступайте в ННГУ — нам очень нужны крутые молодые учёные, тем более, что мы уже рассказывали про физиков и айтишников — тот случай, когда высшее образование не вызывает вопросов.
