Прототип «резервуарного компьютера» предсказывает события лучше, чем некоторые цифровые компьютеры

Может ли компьютер учиться на прошлом и предвидеть, что произойдет дальше, как человек?

Возможно, вы не удивитесь, узнав, что некоторые передовые модели искусственного интеллекта могут достичь этой цели, но как насчет компьютер, который выглядит немного иначе — больше похож на резервуар с водой?

Мы построили небольшой экспериментальный компьютер, который использует проточную воду вместо традиционного процессора логической схемы и прогнозирует будущие события с помощью подход, называемый «резервуарными вычислениями».

В тестах производительности наш аналоговый компьютер хорошо запоминал входные данные и прогнозировал будущие события, а в некоторых случаях даже лучше, чем высокопроизводительный цифровой компьютер.

Как это работает?

Бросание камней в пруд

Представьте себе двух детей, Алису и Боба, играющих на краю пруда. Боб бросает в воду большие и маленькие камни по одному, казалось бы, наугад.

Большие и маленькие камни создают волны воды разного размера. Алиса наблюдает за водными волнами, созданными камнями, и учится предвидеть, что волны будут делать дальше, и исходя из этого она может понять, какой камень Боб бросит следующим.

Резервуарные компьютеры копируют процесс рассуждений. происходит в мозгу Алисы. Они могут учиться на прошлых входных данных, чтобы предсказывать будущие события.

Хотя резервуарные компьютеры впервые были предложены с использованием нейронных сетей — компьютерных программ, в общих чертах основанных на структуре нейронов в мозге, — их также можно построить с помощью простых физических системы.

Резервуарные компьютеры — это аналоговые компьютеры. Аналоговый компьютер непрерывно представляет данные, в отличие от цифровых компьютеров, которые представляют данные в виде резко меняющихся двоичных состояний «ноль» и «единица».

Непрерывное представление данных позволяет аналоговым компьютерам моделировать определенные естественные события — те, которые происходят в своего рода непредсказуемой последовательности, называемой «хаотическим временным рядом», — лучше, чем цифровой компьютер.

Как делать прогнозы

Чтобы понять, как мы можем использовать пластовый компьютер чтобы делать прогнозы, представьте, что у вас есть запись о ежедневных осадках за последний год и рядом с вами ведро с водой. Ведро будет нашим «вычислительным резервуаром».

С помощью камня мы вводим в ведро ежедневную запись об осадках. На день мелкого дождя бросаем небольшой камень; за день сильного дождя большой камень. В день без дождя мы не бросаем камни.

Каждый камень создает волны, которые затем плещутся вокруг ведра и взаимодействуют с волнами, созданными другими камнями.

В конце этот процесс, состояние воды в ведре дает нам прогноз. Если взаимодействия между волнами создают новые большие волны, мы можем сказать, что наш резервуарный компьютер предсказывает проливные дожди. Но если они небольшие, то следует ожидать только небольшого дождя.

Возможно также, что волны будут компенсировать друг друга, образуя неподвижную водную гладь. В этом случае нам не следует ожидать дождя.

Водохранилище дает прогноз погоды, потому что волны в ведре и характер осадков развиваются со временем в соответствии с одними и теми же законами физики.

Как и многие другие природные и социально-экономические процессы. Это означает, что компьютер-резервуар также может прогнозировать финансовые рынки и даже определенные виды человеческой деятельности.

Более продолжительные волны

У компьютера-резервуара «ведро с водой» есть свои пределы. Во-первых, волны недолговечны. Для прогнозирования сложных процессов, таких как изменение климата и рост населения, нужен резервуар с более устойчивыми волнами.

Один из вариантов — «солитоны». Это самоусиливающиеся волны, которые сохраняют свою форму и распространяются на большие расстояния.

Для нашего пластового компьютера мы использовали компактные солитоноподобные волны. Такие волны часто можно увидеть в раковине в ванной или в питьевом фонтанчике.

В нашем компьютере тонкий слой воды стекает по слегка наклонной металлической пластине. Небольшой электрический насос изменяет скорость потока и создает одиночные волны.

Мы добавили флуоресцентный материал, чтобы вода светилась в ультрафиолетовом свете, чтобы точно измерить размер волн.

Насос играет роль падающих камней в игре Алисы и Боба, но уединенные волны соответствуют волнам на поверхности воды.

Уединенные волны движутся намного быстрее и живут дольше, чем волны на воде в ведро, что позволяет нашему компьютеру обрабатывать данные с большей скоростью.

Итак, как это работает?

Мы проверили способность нашего компьютера запоминать прошлые входные данные и делать прогнозы на контрольный набор хаотичных и случайных данных.

Наш компьютер не только исключительно хорошо выполнял все задачи, но и превзошел высокопроизводительный цифровой компьютер, решивший ту же задачу.

С моим коллегой Андрей Потоцкий, мы также создали математическую модель, которая позволила нам лучше понять физические свойства уединенных волн.

Далее мы планируем миниатюризировать наш компьютер в виде микрофлюидного процессора. Водяные волны должны выполнять вычисления внутри чипа, который работает аналогично кремниевым чипам, используемым в каждом смартфоне.

В будущем наш компьютер сможет производить надежные долгосрочные прогнозы в таких областях, как изменение климата, лесные пожары и финансовые рынки — с гораздо более низкой стоимостью и более широкой доступностью, чем современные суперкомпьютеры.

Кроме того, наш компьютер естественным образом невосприимчив к кибератакам, поскольку он не использует цифровые данные.

Наше видение заключается в том, что микрожидкостный резервуарный компьютер на основе солитонов принесет науку о данных и машинное обучение в сельские и отдаленные сообщества по всему миру. Но пока наша исследовательская работа продолжается.

Иван Максимов, ведущий научный сотрудник Университета Чарльза Стерта

Статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.