Слизовик надихнув учених на створення нового типу енергоефективних комп’ютерів

Одноклітинний сли­зо­вик, який не має мозку чи нер­во­вої систе­ми, вже бага­то років дивує біо­ло­гів своєю зда­тні­стю зна­хо­ди­ти майже опти­маль­ні шляхи до дже­рел пожив­них речо­вин. Саме ця незви­чай­на вла­сти­вість нади­хну­ла дослі­дни­ків з Університету Васеда (Японія) на ство­ре­н­ня мате­ма­ти­чної моде­лі ново­го типу обчи­слю­валь­ної систе­ми. На думку авто­рів, у май­бу­тньо­му вона може стати осно­вою для ком­п’ю­те­рів, які вико­ну­ва­ти­муть скла­дні зада­чі опти­мі­за­ції з наба­га­то мен­шим енер­го­спо­жи­ва­н­ням, ніж суча­сні цифро­ві про­це­со­ри. Результати робо­ти опу­блі­ко­ва­но в жур­на­лі Physical Review Research.

Як слизовик допомагає знаходити найкращий маршрут

Натхненням для дослі­дже­н­ня став сли­зо­вик Physarum polycephalum. Попри над­зви­чай­но про­сту будо­ву, цей орга­нізм зда­тний постій­но змі­ню­ва­ти свою форму: він роз­ро­ста­є­ться у напрям­ку спри­я­тли­вих діля­нок і ско­ро­чує від­рос­тки там, де шлях вияв­ля­є­ться менш вигі­дним. Завдяки такій пове­дін­ці сли­зо­вик часто зна­хо­дить дуже ефе­ктив­ні мар­шру­ти між кіль­ко­ма точка­ми без будь-якого цен­траль­но­го керу­ва­н­ня чи нер­во­вої системи.

Саме цей при­ро­дний меха­нізм учені пере­тво­ри­ли на мате­ма­ти­чну модель, яка може вико­ну­ва­ти обчислення.

Чому дослідники використали задачу комівояжера

Для пере­вір­ки своєї моде­лі дослі­дни­ки обра­ли кла­си­чну зада­чу комі­во­я­же­ра — одну з най­ві­до­мі­ших задач ком­бі­на­тор­ної опти­мі­за­ції. Її суть поля­гає в тому, щоб зна­йти най­ко­ро­тший мар­шрут, який про­хо­дить через усі зада­ні міста лише один раз і повер­та­є­ться до поча­тко­вої точки.

Попри про­сте фор­му­лю­ва­н­ня, зада­ча дуже швид­ко ускла­дню­є­ться зі збіль­ше­н­ням кіль­ко­сті міст. Кількість можли­вих мар­шру­тів зро­стає настіль­ки стрім­ко, що навіть суча­сним ком­п’ю­те­рам для пошу­ку най­кра­що­го ріше­н­ня часто дово­ди­ться вико­ри­сто­ву­ва­ти спе­ці­аль­ні алго­ри­тми набли­же­но­го пошуку.

Як працює модель, натхненна слизовиком

У запро­по­но­ва­ній моде­лі сли­зо­вик умов­но роз­та­шо­ва­ний у цен­трі кру­гло­го при­строю, від якого роз­хо­дя­ться окре­мі кана­ли. Кожен із них від­по­від­ає пев­но­му місту та його пози­ції в май­бу­тньо­му мар­шру­ті. Освітлення впли­ває на пове­дін­ку систе­ми: осві­тле­ні ділян­ки ско­ро­чу­ю­ться, тоді як затем­не­ні про­дов­жу­ють рости. Поступово така пере­бу­до­ва фор­мує один із можли­вих мар­шру­тів, а сам про­цес зміни стру­кту­ри факти­чно вико­нує роль обчислення.

Під час ана­лі­зу дослі­дни­ки зро­би­ли ще одне ціка­ве від­кри­т­тя. Виявилося, що їхня мате­ма­ти­чна модель екві­ва­лен­тна реку­рен­тній ней­рон­ній мере­жі з фіксо­ва­ни­ми вага­ми. У такій мере­жі ваги визна­ча­ють силу зв’яз­ків між окре­ми­ми вузла­ми, а в запро­по­но­ва­ній моде­лі вони від­по­від­а­ють від­ста­ням між міста­ми або штра­фам за пору­ше­н­ня умов мар­шру­ту. Це свід­чить про те, що пове­дін­ка сли­зо­ви­ка та робо­та деяких ней­рон­них мереж можуть опи­су­ва­ти­ся одна­ко­ви­ми мате­ма­ти­чни­ми принципами.

Навіщо спрощувати модель

Автори зазна­ча­ють, що попе­ре­дня вер­сія моде­лі була занад­то скла­дною для пра­кти­чно­го вті­ле­н­ня. Вона вико­ри­сто­ву­ва­ла вели­ку кіль­кість умов­них опе­ра­цій і під­по­ряд­ко­ву­ва­ла­ся фізи­чним обме­же­н­ням, які сут­тє­во зву­жу­ва­ли вибір мате­рі­а­лів та технологій.

Нова модель позбав­ле­на бага­тьох із цих недо­лі­ків. На думку дослі­дни­ків, її можна реа­лі­зу­ва­ти за допо­мо­гою різних фізи­чних прин­ци­пів — від фотон­них схем і спін­трон­них при­стро­їв до меха­ні­чних або навіть рідин­них обчи­слю­валь­них систем. Як при­клад вони вже про­де­мон­стру­ва­ли можли­вість вико­ри­ста­н­ня спін­трон­них еле­мен­тів, які від­зна­ча­ю­ться низь­ким енер­го­спо­жи­ва­н­ням і висо­кою стій­кі­стю до тем­пе­ра­тур­них наван­та­жень та радіації.

Чи означає це появу принципово нових комп’ютерів

Поки що ні. На цьому етапі дослі­дни­ки ство­ри­ли мате­ма­ти­чну модель і пока­за­ли, що її можна реа­лі­зу­ва­ти на різних фізи­чних пла­тфор­мах. Повноцінного ком­п’ю­те­ра, який пра­цю­вав би за прин­ци­пом сли­зо­ви­ка, нара­зі не існує.

Втім, авто­ри вва­жа­ють, що їхня робо­та від­кри­ває пер­спе­ктив­ний напрям роз­ви­тку аль­тер­на­тив­них обчи­слю­валь­них систем. У май­бу­тньо­му такі при­строї можуть вияви­ти­ся осо­бли­во кори­сни­ми для задач опти­мі­за­ції, шту­чно­го інте­ле­кту та інших обчи­слень, де сьо­го­дні тра­ди­цій­ні про­це­со­ри витра­ча­ють зна­чні обся­ги енергії.