Антология машинного обучения. Важнейшие исследования в области ИИ за последние 60 лет

Я впервые встретил Карвера Мида (рис. 14.1) в 1983 году на семинаре, проводившемся на курорте неподалеку от Питтсбурга. Джеффри Хинтон собрал небольшую группу, чтобы исследовать, куда движутся нейронные сети. Мид известен своим крупным вкладом в компьютерные науки. Он первым осознал, что по мере того, как транзисторы на СБИС становятся все меньше и меньше, чипы становятся все эффективнее, и поэтому вычислительная мощность должна продолжать расти в течение длительного времени. Карвер Мид ввел в обращение термин «закон Мура», основанный на наблюдении Гордона Мура[384], что количество транзисторов на чипах удваивалось каждые 18 месяцев. Он уже прославился изобретением кремниевого компилятора — программы, которая автоматически размещала схемы проводников и функциональные модули системного уровня на чипе[385]. До кремниевого компилятора каждый чип инженеры изготавливали вручную на основе опыта и интуиции. По сути, Мид предложил программировать компьютеры, чтобы те сами разрабатывали чипы. Это были первые шаги в наноинженерии.

Мид — провидец. В то же время когда мы сидели за столом в маленькой комнате на семинаре, наверху проходила конференция по суперкомпьютерам. Крупные суперкомпьютерные компании, такие как Cray Inc. и Control Data Corporation, проектировали оборудование специального назначения, которое было в сотни раз быстрее, чем компьютеры в наших лабораториях, и стоило сто миллионов долларов. Компьютеры Crays были настолько быстрыми, что их приходилось охлаждать жидким фреоном. Мид сказал мне, что они еще не знают, но микропроцессоры захватят их долю рынка и суперкомпьютерные компании скоро исчезнут. Микропроцессоры в персональных компьютерах в ту эпоху были значительно медленнее, чем чипы специального назначения в суперкомпьютерах. Но микропроцессоры развивались быстрее, чем суперкомпьютеры, из-за неуклонного сокращения затрат и повышения производительности, которое стало возможным благодаря уменьшению основных размеров устройства. Вычислительная мощность микропроцессора в вашем смартфоне равна мощности десяти суперкомпьютеров Cray X-MP в 1980-х годах, а высокопроизводительные суперкомпьютеры с сотнями тысяч микропроцессорных ядер достигли петафлопсной производительности, что в миллион раз быстрее, чем у вымерших компьютеров Cray, при их одинаковой стоимости с учетом инфляции.

На семинаре Мид показал нам кремниевую сетчатку, которая была создана по той же технологии, что и чипы СБИС, но с использованием аналоговых, а не цифровых схем. В аналоговой схеме напряжение на затворах может непрерывно изменяться, тогда как у напряжения на затворах в цифровой схеме может быть только одно из двух значений: «включено» или «выключено». В нашей сетчатке свыше ста миллионов фоторецепторов, но в отличие от камеры, которая просто передает фотонные импульсы в память, сетчатка имеет несколько уровней нейронной обработки, которая преобразует входящие визуальные данные в эффективные нейронные коды. Все стадии обработки аналоговые, пока не доходят до ганглиозных клеток, которые несут в мозг по миллиону аксонов, закодированные сигналы в виде двоичных импульсов. Обозначение импульсов как «да» или «нет» похоже на цифровую логику, но время прохождения импульса является аналоговой переменной, и нет часов, что превратят последовательность импульсов в гибридный год.

В чипе сетчатки, разработанном Мидом, ступенчатая часть обработки выполнялась с напряжением, немного не доходящим до порогового значения «выключено», тогда как работающий в цифровом режиме транзистор быстро переходит в полностью «включенное» состояние, которое потребляет гораздо больше энергии. Как следствие, аналоговому чипу СБИС требуется лишь малая доля мощности цифровых микросхем — от нановатт до микроватт, а не от милливатт до ватт, — что делает их в миллионы раз энергоэффективнее. В своей книге «Аналоговые СБИС и нейронные системы», вышедшей в 1989 году, Мид показал, что нейронные алгоритмы, встроенные в нейронные цепи глаз насекомых и млекопитающих, можно эффективно воспроизвести в кремнии. Карвер Мид — основатель нейроморфной инженерии, цель которой — создание чипов на основе алгоритмов мозга.

Чип сетчатки — изобретение Миши Маховальд, звездной аспирантки Мида (рис. 14.2)[386]. В своих идеях она объединила опыт бакалавра биологии Калтехе и дипломную работу в области электротехники. Это привело ее к получению четырех патентов. В 1992 году Маховальд вручили премию Милтона и Фрэнсиса Клаузеров[387] за диссертацию, посвященную чипу, который выполнял сопоставление бинокулярных изображений в реальном времени, первому чипу, который использовал естественное коллективное поведение для сложной задачи. В 1996 году она была занесена в зал славы международного союза «Женщины в технологии» (Women in Technology International; WITI).

Рис. 14.2. Миша Маховальд из Калтеха в то время, когда она, будучи ученицей Карвера Мида, создала первую кремниевую сетчатку. Маховальд внесла выдающийся вклад в нейроморфную инженерию.