Нейронна мережа, якій не потрібне живлення

Групі вчених з університету Вісконсіна, Массачусетського технологічного та Колумбійського університетів вдалося реалізувати штучну нейронну мережу, що розпізнає цифри, у вигляді мікроскопічної скляної пластинки. Для роботи їй не потрібне ні електроживлення, ні підключення до будь-яких інших пристроїв - фактично це автономний аналоговий комп'ютер, який буде працювати до того часу, поки зберігається його цілісність.

Штучні нейромережі складаються з безлічі синтетичних нейронів, які активуються, якщо сукупна величина сигналів на їх входах перевищує якесь порогове значення. Нейрони з'єднані між собою зв'язками, що мають певні вагові коефіцієнти (тобто вклад одних сигналів в спрацьовування функції активації - більший, а інших - менший).

Щоб створити аналогічну структуру в склі, в нього додали сторонні включення - частинки графена і бульбашки повітря. Розташування і форма цих включень еквівалентні функціям активації і ваговим коефіцієнтам зв'язків. Так, графен - матеріал з нелінійними оптичними властивостями - починає пропускати світло тільки після того, як його інтенсивність досягає певної величини, а до цього залишається непрозорим.



Нейромережа спочатку була навчена на комп'ютері і лише потім втілена в склі. Але вчені відзначають, що є технології, що дозволяють реалізувати навчання прямо на місці, за рахунок використання оптичних матеріалів із змінними властивостями.

Для подачі на вхід нейромережі двомірне зображення рукописної цифри розміром 20×20 пікселів замінюють на одномірне (фактично колонки пікселів вибудовують в лінію). Включення в склі перетворять фронт світлової хвилі таким чином, що енергія концентрується в одній з десяти областей, що відповідають цифрам.

Нейромережа, навчена на п'яти тисячах зображень, коректно розпізнає цифри в 79 випадках зі 100. Автори статті стверджують, що могли б домогтися кращого результату, якби не обмеження, пов'язані з процесом виготовлення скла.



Фізичний розмір пластинки - 80λ на 20λ, де λ - довжина хвилі світла, що використовується для представлення інформації. Теоретично на поширення хвилі може впливати кожен атом, хоча на практиці навряд чи вдасться використовувати включення розміром менше 10 нм. Але навіть при такому масштабі потенційна кількість перевищує 10 мільярдів на квадратний міліметр.

Вчені припускають, що швидкі мініатюрні нейромережеві обчислювачі, яким для роботи достатньо світла, можуть бути використані в «широкому спектрі інформаційних пристроїв». З огляду на те, що дослідження фінансувалося DARPA, не можна виключати і військового застосування технології.

---

© за матеріалами