Viszlát, Neumann?

Az első számítógépeket - szobányi méretű behemótokat - óriási vagy elektronikus agyakként emlegették a korabeli szalagcímekben és a mindennapi beszédben egyaránt. És ahogy a számítógépek egyre több, emberek által végzett tevékenység elvégzésére váltak alkalmassá - így például megtanultak sakkozni -, meghonosodott a mesterséges intelligencia fogalma.  Jóllehet a metafora biológiai jellegű, a mesterséges intelligencia kidolgozására irányuló törekvés nem a biológusok, hanem a mérnökök érdeme. Ahogy a beszédfelismerés területén úttörő szerepet játszó Frederick Jelinek fogalmazott: a repülőgépek nem verdesnek a szárnyaikkal.

Mindazonáltal a biológiai elvek is egyre inkább teret nyernek az informatikában. A szemlélet szükségszerű megváltozását a neurológia és a számítástudomány fejlődése eredményezte. Belátható távolságnyira került a hagyományos számítógépes tervezés fizikai korlátainak lebontása - még ha nem is a napokban valósul meg, de elég hamar számítani lehet rá. A nanoáramkörök sokkal tovább nem zsugorodhatnak, a mai, csúcsra járatott chipek túlmelegszenek, ez pedig fékezi az áramkörök fejlesztéseit. Annál közelebb kerülünk ezekhez határértékekhez, minél inkább növekszik a számítási kapacitás iránti igény az érzékelők, az online kereskedelem, a közösségi hálózatok, a videostreamek, a vállalati és kormányzati adatbázisok új és egyre nagyobb számú digitális adatainak feldolgozására és hasznosítására.

Ahhoz, hogy meg lehessen felelni ezeknek az újszerű kihívásoknak - a világ energiatartalékainak elherdálása nélkül - egészen más megközelítésre lesz szükség. És a tudósok szerint a biológia készen áll arra, hogy a metaforaszerepnél nagyobb mértékben járuljon hozzá a megoldáshoz. - Minden alkalommal, amikor eljutunk idáig, a biológia nyújt támpontot ahhoz, hogyan kell közelíteni a számítástechnika határaihoz - nyilatkozta a The New York Timesnak John E. Kelly, az IBM kutatási igazgatója.

Elég 20 wattnyi energia

Kelly a Watsonra utalt: a cég számítógépe a Legyen Ön is milliomos! amerikai változatában két korábbi - emberi - bajnokot is legyőzött. Igaz, működéséhez 85 000 wattnyi energiára van szüksége, míg az emberi agy beéri mindössze 20 wattal is - vagyis jól ki van találva az evolúció. Az egyetemi és vállalati laboratóriumokban világszerte számos, a biológia inspirálta kutatást végeznek a számítógépes szakemberek. De ezek között is megkülönböztetett érdeklődésre tarthat számot az, amelyikben az IBM kutatói mellett négy egyetem - a Cornell, a Columbia, a Wisconsini és a Kaliforniai Egyetem - szakemberei vesznek részt.

Az informatikusok és a neurológusok együttműködésével megvalósuló program három évvel ezelőtt kezdődött, és igen biztató eredményeket produkál, olyannyira, hogy ezt tavaly augusztusban a DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency - a Pentagon kutatási ügynöksége) újabb 21 millió dollárnyi finanszírozási forrás rendelkezésre bocsátásával ismerte el. Így a projekt támogatottsága összesen már 41 millió dollárnál tart.

Neuroszinaptikus mikroprocesszor

Az elmúlt hónapokban a csapat kifejlesztette a neuroszinaptikus mikroprocesszor prototípusát, amely már jóval inkább a neuronokhoz és a szinapszisokhoz hasonlóan működik, mint a hagyományos félvezetőkhöz. A projekt tapasztalatai megmutatták, hogy milyen tervezési elveket, koncepciókat és technikákat érdemes kölcsönözni a biológiától a számítástechnika határainak kitágításához, és azt is, hogy mit nem lehet alkalmazni, vagy minek nincs értelme. Kezdetben a program vezetője - Dharmendra S. Modha, az IBM kutatója - úgy határozta meg a kutatás célját, hogy a mérnököknek az emberi agy felépítésének, funkciójának és működésének elemzésével, egyfajta reverse-engineeringgel kell modellezniük a gondolkodás technológiai alapjait.

A projekt szuperszámítógépes szimulációkkal indult, amelyekkel az állati agy összetettségéről kívántak mintát szerezni - először egy macskáéról, majd egy majoméról. A tudományos világ blogjaiban és online fórumaiban néhány neurológus azonban élesen bírálta az IBM-et, amiért túlzott követeléseket és célokat támasztott a programmal szemben, amelyeket az nem valósíthat meg. Mostanság az IBM San José-i Almaden Kutatóközpontjában nem sok szó esik az emberi aggyal kapcsolatos reverse-engineeringről.

Ugyanakkor a szűk időkerettel meghatározott nagy ívű célkitűzések - magyarázta Modha - akkor is részei maradnak a kutatásnak, ha a velük kapcsolatos kommunikáció korábban túlzásokat és félreérthető elemeket tartalmazott. - Azt eldönteni, hogy merre ne menjünk, ugyanolyan fontos, mint azt, hogy merre igen - szögezte le. - Nem próbáljuk meg reprodukálni az emberi agyat, hiszen ez lehetetlen: egyszerűen nem tudjuk, hogyan működik.

Öntanuló technológia

A tudományágakon átívelő párbeszéd és vita mindazonáltal segített meghatározni a kutatások irányát a DARPA által kitűzött céloknak megfelelően: a technológiának önszervezőnek kell lennie - tehát képesnek kell lennie a tanulásra, nem csupán reagálni a hagyományos programozási parancsokra -, és csak nagyon kevés energiát szabad fogyasztania. Modha 2010 elején hozta meg azt a döntést, amely a jelenlegi pályájára állította a programot: a biológiailag inspirált chip fejlesztésének kell elsőbbséget élveznie. Tény, ennek következtében egy sor olyan kísérleti szoftver ment veszendőbe, amely addigra már elkészült, de a chip elsőbbsége mindenesetre koherens tervet eredményezett.

Az emberi aggyal némi szerkezeti hasonlóságot mutató úgynevezett neuromorf chip megtervezésében a neurológiai elv volt a meghatározó: ez az "agy" alacsony fogyasztású, és gyors számítástechnikai mechanizmusok jellemzik. A működési elv azonban drasztikusan eltér a mai számítógépekétől. Az agy processzorai - a neuronok - a számítástechnikában honos kifejezéssel élve masszívan elosztottak, és több millió van belőlük. Ezek a neuronprocesszorok adataikat memóriaeszközökbe - szinapszisokba - burkolják, ennek révén az agyban folyó kommunikáció rendkívül hatékony és sokrétű egészen az elektromos impulzusokat közvetítő idegnyúlványokig.

Viszlát, Neumann-elv?

Az a gép, amely ilyen elvek szerint épül majd fel, Modha szerint fontos elmozdulást eredményez a Neumann János-féle számítástechnika irányától, amelyben a processzor és a memória fizikailag el van választva egymástól, és csupán egy keskeny kommunikációs csatornát használva szekvenciálisan kapcsolódnak egymáshoz. A neuromorf elektronikus rendszerek koncepciója több mint két évtizedes. Carver Mead neves számítógéptudós írt először ilyen eszközökről egy szakfolyóiratban még 1990-ben. A korábbi, biológiailag inspirált eszközök többnyire analóg elven működtek, az egyetlen cél az volt, hogy az érzékelők utánozzanak egy funkciót, például a képi adatok érzékelésekor a retina működését.

Az IBM vezette egyetemi kutatócsoport azonban jóval sokoldalúbb digitális technológia kidolgozására törekszik. - Úgy tűnik, hogy ki tudunk építeni olyan számítógépes architektúrát, amely meglehetősen általános célú, és egy sor alkalmazási környezetben lehet használni - fejtette ki Rajit Manohar, a Cornell Egyetem professzora. Melyek lehetnek ezek az alkalmazások 5 vagy 10 év múlva, ha a technológia sikeresnek bizonyul? Például olyan tevékenységek elvégzése, amelyek az emberek számára kézenfekvőek, a számítógépeknek azonban most még alaposan meg kell küzdeniük velük - például alakja felismerésével azonosítani valakit, aki egy zsúfolt utcán sétál.

Az alkalmazásoknak robotok is részei lehetnek: így többek között segíthetnek navigálni a háborús környezetekben; alacsony fogyasztású mesterséges eszközök segíthetik a vakok tájékozódását; számítógépes egészségügyi rendszer figyelhet a betegekre az ápolóotthonokban, és szükség esetén riaszthatja az - emberi - ápolószemélyzetet. A jövőkép biztató, mindazonáltal hatalmas akadályokat kell még leküzdeni. A prototípus chip 256 darab, neuronszerű csomópontjának környezetét több mint 262 ezer szinaptikus memóriamodul alkotja. Ez mindaddig lenyűgöző volna, amíg össze nem vetjük az agy megfelelő adataival: becslések szerint az emberi idegsejtek száma akár a 100 milliárdot is elérheti. A program előtt tehát még hosszú út áll. Mindenesetre a támogató Pentagon bizakodva tekint az eddigi eredményekre.