Сусанна Гордлеева: «Мы стоим на пороге очередной научной революции»

29 июля 2024 года, 10:17

Профессор ННГУ рассказала о перспективах нейроморфных технологий.

Отечественная наука довольно далеко продвинулась в разработке технологий искусственного интеллекта (ИИ), и Нижний Новгород — к нашей гордости — является одним из основных центров, где аккумулируются подобные исследования. В частности, на базе строящегося ИТ-кампуса «НЕЙМАРК» будет реализован проект междисциплинарного исследовательского Центра нейроморфного ИИ. О нём ИА «Время Н» рассказала руководитель Центра, профессор кафедры нейротехнологий ННГУ им. Н.И. Лобачевского Сусанна Гордлеева.

— Сусанна Юрьевна, чем планируется заниматься в междисциплинарном Центре нейроморфного ИИ на базе ИТ-кампуса?

— Сначала немного поясню, что такое нейроморфные вычисления и вообще нейроморфные модели искусственного интеллекта. Это такие новые перспективные модели ИИ, которые повторяют принципы работы головного мозга, в отличие от классических технологий ИИ, построенных на формальных нейронных сетях. Нейроны в нашем головном мозге передают информацию с помощью генерации коротких электрических импульсов с низкими частотами, и это позволяет мозгу тратить очень мало энергии.

Представьте: чтобы совершить простое движение, например, схватить со стола простой карандаш, мы задействуем около 50 групп мышц. Чтобы выбрать оптимальную конфигурацию активации такого количества мышц, нужно просчитать 10 в 15 степени различных комбинаций, а для решения этой задачи требуется процессор с тактовой частотой 10 в 6 степени ГГц. Наш же мозг тратит энергию порядка 10 Вт, а частота генерации импульсов в мозге не превышает 100 Гц. То есть разница в энергоэффективности вычислений, которые производит человеческий мозг и которые сейчас выполняют классические вычислительные системы, колоссальна.

Постоянно увеличивающийся объем данных и то, что технологии искусственного интеллекта все активнее входят в нашу жизнь, требует все большего количества электроэнергии на обеспечение вычислений для обработки информации. Что это означает? Дальнейшее развитие мощностей компьютеров будет сдерживаться не архитектурой микросхем, а количеством необходимой энергией. Дальнейшее неминуемое увеличение объемов информации приведет к тому, что страны с низким уровнем производства электроэнергии, будут обречены на технологическое отставание.

Выход из этой ситуации есть — нужно строить архитектуры вычислительных систем на принципиально новых, биоподобных принципах — схожих с работой живого мозга. Такими перспективными новыми технологиями являются нейроморфные технологии. Именно этими разработками мы и планируем заниматься в ИТ-кампусе «НЕЙМАРК».

— Насколько это уникальный проект?

— Нейроморфными вычислительными системами сегодня занимаются мало. Причина понятна: огромное количество денег, усилий и времени уже потрачены на традиционные технологии ИИ на основе формальных нейронных сетей, которые сейчас прекрасно справляются с техническими задачами, даже намного лучше, чем живой мозг.

С другой стороны, существует запрос на разработку новых вычислительных систем. В России есть несколько центров, которые занимаются этим, и Нижний Новгород — один из сильнейших. Наши специалисты далеко продвинулись в разработках аппаратной реализации нейроморфных систем на новой элементной базе — мемристорах. Мемристоры позволяют объединить память и процессор в одном месте и являются, по сути, искусственными аналогами биологических контактов между нейронами. Обработка информации происходит локально, это приводит к снижению энергопотребления, повышению скорости. Также во всем мире известны передовые разработки математических моделей спайковых нейронных сетей и на их основе алгоритмов нейроморфного искусственного интеллекта учёных ННГУ им. Н.И. Лобачевского.

В России есть несколько сильных групп, которые занимаются подобными исследованиями. Это Курчатовский институт, ЮФУ, Сколтех. Стоит также отметить отечественную разработку прототипа нейропроцессора «Алтай». Этим будут также заниматься и в АНО «Неймарк». Планируется как решение вопросов разработки новых алгоритмов и архитектур для нейропроцессоров, так и вычислительных задач под них.

Вообще, напомню, что этой весной президент России Владимир Путин подписал указ о том, что к 2030 году в России должен быть создан нейропроцессор. Уверена, что эта задача будет выполнена.

— О коммерциализации речи пока не идет?

— На сегодняшний день такие разработки находятся на уровне фундаментальных исследований, создания и тестирования прототипов. С точки зрения аппаратных реализаций ведется поиск материалов, способных обеспечить точные и предсказуемые характеристики мемристоров. Главным вызовом в области нейроморфных моделей ИИ на импульсных нейронных сетях является создание биоподобных алгоритмов обучения этих систем. Ключевая особенность обучения нейросетей головного мозга, которая пока остается недоступной классическим технологиям ИИ, — это их способность к адаптивному самообучению. Именно поэтому нейроморфные модели имеют громадный потенциал к развитию сильного генеративного искусственного интеллекта. Реализация нейроморфных алгоритмов позволит существенно расширить спектр задач, решаемых системами ИИ, например, перейти от покадровой классификации изображений к поточной работе с динамическими данными реального мира.

— Что будет представлять из себя Центр нейроморфного ИИ на базе ИТ-кампуса?

— Это будет междисциплинарное исследовательское научное подразделение, имеющие в своем составе несколько научно-исследовательских лабораторий. Целью работы Центра будет являться разработка перспективных нейроморфных технологий искусственного интеллекта, построенных на принципах работы головного мозга. Данные нейроморфные модели ИИ послужат основой для создания энергоэффективных информационно-вычислительных систем и моделей сильного генеративного ИИ. Особое внимание в Центре будет уделено внедрению научных разработок в практику. Разработки Центра в первую очередь найдут свое применение для создания новых медицинских технологий—интерфейсов мозг-компьютер, нейроинтерфейсов, нейроимплантов для улучшения когнитивных и моторных нарушений у людей. На основе разработок Центра будут созданы системы обработки больших мультимодальных данных, в том числе, физиологических, системы нейроуправления, системы динамического технического зрения и управления, интеллектуальные беспилотные аппараты и робототехника.

— Когда планируете запустить проект?

— Сложно сказать… Сейчас мы находимся на начальной стадии. Пока мы создали исследовательский центр на базе ИТ-кампуса, формируем научно-исследовательские лаборатории. Лаборатории будут работать над созданием моделей нейроморфного ИИ на основе биоинспирированных моделей нейрон-астроцитарных сетей, а также биологореалистичных алгоритмов обучения таких систем. Разработки будут тестироваться в задачах анализа биомедицинских данных. Конечной целью является разработка высокотехнологичных нейроинтерфейсов для улучшения когнитивных и моторных функций и систем нейрореабилитации для целей медицины. Строительство ИТ-кампуса НЕЙМАРК сейчас в активной стадии — уже готовы первые три корпуса общежитий. Пока свои собственные учебные и лабораторные корпуса строятся, мы арендуем помещения, где скоро будем размещать лаборатории. Планируем развиваться…

— В наших исследованиях мы не отстаем от Запада?

— Более того — где-то даже обгоняем. К примеру, мы разработали биологически правдоподобные модели нейронных сетей, которые описывают наблюдаемые в реальном мозге механизмы функционирования нейронов, контактов между нейронами, а также недавно открытых клеток-участников в обработке информации, астроцитов. Мы первые в мире показали, что включение астроцитов в импульсные нейронные сети позволяет повысить производительность данных систем в решение задач классификации изображений на 15%. Эта разработка была удостоена премии президента России для молодых ученых.

— Каким образом разработки могут быть полезны в медицине, в робототехнике, в БАС?

— Самым перспективным является применение нейроморфных процессоров для получения и обработки данных на конечном устройстве. Особенно это актуально для продления времени работы портативных устройств за счет снижения энергонагрузки на их аналитический аппарат. Это найдет практическое применение в областях интернета вещей, роботов, беспилотных дронов, нейроимплантов, телекоммуникационных технологий.

— Когда люди начнут массово применять нейроморфные вычислительные системы в быту?

— Какие-то сроки назвать сложно. Точно одно: мы уже стоим на пороге очередной научной революции. Вы же, наверное, сами видите, что происходит с системами искусственного интеллекта: они обновляются каждые полгода и начинают справляться с более сложными, принципиально новыми задачами. Может быть, совсем скоро произойдет качественный скачок, и всё, что в настоящий момент находится на уровне научных исследований, найдет свое применение на практике.

— То есть, искусственный интеллект станет таким же обыденным явлением, как смартфон?

— А он уже стал обыденным явлением. Студенты, например, сегодня пишут курсовые работы, используясь ChatGPT. Даже я некоторые документы правлю с помощью нейросетей.

Правда, нужно понимать, что, говоря о применении искусственного интеллекта, мы в некотором смысле подменяем терминологию. У искусственных систем нет интеллекта, он может быть только естественным, как у живого мозга. Все нынешние системы искусственного интеллекта — это системы машинного обучения. А ведь они у нас везде. Даже простейшая обработка изображений — это уже машинное обучение. Мы давно с этим живем, и сейчас главная задача — сделать так, чтобы это работало нам на пользу. Обратной дороги у нас нет.

Автор: Александр Савельев