Новости № 40(2016)

Официально


Глава ФАНО Михаил Котюков обсудил с делегацией Кубы и, в частности, с научным советником Госсовета республики Фиделем Кастро Диас-Балартом (сыном Фиделя Кастро) перспективы научно-технического сотрудничества, информирует пресс-служба ФАНО.

Рособрнадзор и Минздрав провели семинар для медицинских вузов, на котором шла речь о том, как повысить качество образования в сфере здравоохранения.

Глава Минобрнауки Ольга Васильева заявила на заседании Комитета Совета Федерации по науке, образованию и культуре о приостановке процесса объединения вузов, сообщает ТАСС.




Регионы


Белгородском госуниверситете начал работу уникальный геолого-минералогический музей, собравший более 1500 образцов минералов и горных пород со всего мира.

Томский политехнический университет стал официальном членом коллаборации эксперимента LHCb, проводимого на Большом адронном коллайдере в Европейском центре ядерных исследований.

Создать взаимосвязанную систему подготовки высококвалифицированных кадров для туристической отрасли Северного Кавказа предложил Северо-Кавказский федеральный университет.

СНГ


Интердайджест


30.09.2016
Из микроскопического животного тихоходки выделен белок, который повысил устойчивость человеческой ДНК к ионизирующему излучению. С подробностями - Nature News.

30.09.2016
В пещере, где обитали индонезийские люди - “хоббиты”, найдены зубы Homo sapiens, что допускает сосуществование нашего вида с миниатюрным родственником. Об этом сообщает Nature News.

Веб



Комиссия читинских культурно-просветительных организаций обратилась с воззванием ко всем кооперативам и культурным организациям Забайкалья с просьбой о всемерной поддержке скорейшего открытия в Иркутске университета.
























Пределы совершенства. Каково будущее нейроморфных вычислительных систем?
Наука
№ 33-34(2015)

21.08.2015


- Создание искусственных нейронных сетей, имеющих сходство с работой головного мозга человека, - одно из перспективных направлений развития ИT-технологий. Но прежде чем говорить о реализации эффективных нейроморфных систем, или “электронного мозга”, необходимо разработать новую аппаратную базу, моделирующую деятельность и взаимосвязи десятков тысяч нервных клеток. Подобные исследования проводятся в ведущих научных центрах США и Европы, а с недавних пор и в России. Полтора года назад Российским научным фондом был поддержан проект группы ученых из МФТИ по созданию функциональных прототипов электронных синапсов и построению на их основе теоретической модели нейроморфной вычислительной системы. Руководитель проекта, заведующий лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники, кандидат физико-математических наук Андрей Зенкевич (на верхнем снимке) рассказал в беседе с корреспондентом “Поиска”, как ученые пытаются “догнать” живую природу. В разговоре также приняли участие его молодые коллеги и активные участники проекта РНФ - старший научный сотрудник лаборатории Юрий Матвеев и заместитель руководителя ЦКП МФТИ, научный сотрудник лаборатории Дмитрий Негров.
- Андрей Владимирович, давайте начнем по порядку: как получилось, что за решение столь масштабной задачи взялась вузовская лаборатория?
- В рамках участия в Проекте 5-100 на Физтехе сменилась парадигма: многие исследования, которые раньше велись на базовых кафедрах в академических и отраслевых НИИ, решено перенести в кампус вуза. Был объявлен конкурс, созданы несколько десятков новых лабораторий, часть которых ведет фундаментальные исследования, часть - научно-прикладные. Открытая полтора года назад лаборатория функциональных материалов и устройств для наноэлектроники относится ко второму типу, она нацелена на сотрудничество с компанией ОАО “НИИМЭ и Микрон”, которая ставит задачу разработать новые технологии создания устройств энергонезависимой памяти, и МФТИ - один из партнеров в ее решении. Наши амбиции в реализации проекта по гранту РНФ возникли не на пустом месте: несколько лет назад в МФТИ было закуплено современное ростовое, аналитическое и технологическое оборудование для Центра коллективного пользования, создана “чистая зона”, что позволяет комбинировать изготовление экспериментальных устройств на промышленных линиях “Микрона” и в университетских лабораториях. А главное, на Физтех удалось привлечь знающих людей, в том числе из-за рубежа, для того чтобы здесь правильно организовать науку. Одним словом, не будет преувеличением сказать, что сейчас созданы для ученых все условия, и теперь сделаем мы что-то передовое или нет - зависит только от нас.
- Какова научная предыстория проекта?
- Сегодня в большинстве энергонезависимых запоминающих устройств используется память “флэш”, в основе изготовления которой - стандартные кремниевые технологии. Но, несмотря на все ее преимущества, и у нее есть ограничения и недостатки, поэтому существует потребность в устройствах энергонезависимой памяти, построенной на альтернативных принципах. Такова память, работающая на эффекте обратимого резистивного переключения, который наблюдается в некоторых тонкопленочных структурах. Представьте изначально изолирующую пленку материала, в которой при приложении строго определенного напряжения возникает “контролируемый” пробой, после чего она становится проводящей. Оказывается, существуют такие материалы и такие условия, которые позволяют “залечить” пробой при приложении напряжения обратной полярности (или большей амплитуды), после чего пленка снова становится изолирующей. Таким образом, у нас есть два состояния - “0” и “1”, а значит, возможно создать на основе подобных материалов бинарную память без всяких транзисторов: два электрода, а между ними - тонкая пленка. Эффекты обратимого резистивного переключения обнаружили давно, но поначалу совсем плохо понимали стоящие за ними физические механизмы и не задумывались об их использовании для создания устройств памяти. Активно резистивная память исследуется в последние 5-10 лет - отчасти потому, что крупные компании увидели здесь возможности коммерциализации: описанная технология позволяет делать миниатюрные устройства, которые по энергопотреблению и скорости записи гораздо лучше традиционной флэш-памяти.
- Где они могут использоваться?
- Одно из применений - в смартфонах, которые потребляют сегодня достаточно много энергии, из-за чего их приходится постоянно подзаряжать. Если бы энергопотребление этих устройств удалось сократить в несколько или даже несколько десятков раз, было бы отлично! А плюс к этому, повторюсь, они могут работать гораздо быстрее, чем флэш-память...
- Резистивная память, как можно догадаться, не единственная замена флэш-па-мяти...
- Верно. Различных концепций энергонезависимой памяти сегодня достаточно много. Это и магниторезистивная, и сегнетоэлектрическая, и память на фазовых переходах... Какой в итоге вариант будет широко коммерциализован - вопрос открытый. Здесь сыграют роль цена, надежность и воспроизводимость. Одно из преимуществ элементов резистивной памяти состоит в том, что для их изготовления можно использовать те материалы, которые уже применяются в кремниевых технологиях, например оксид гафния. Кстати, совсем недавно компании Intel и Micron (США) объявили о выводе на рынок в следующем году устройств энергонезависимой памяти огромной емкости на основе резистивного переключения, хотя подробностей пока не приводят.
Если уж зашла речь об эволюции устройств памяти, необходимо остановиться на сравнительно недавнем открытии, у которого также есть своя предыстория. В то время, когда экспериментаторы еще и не думали о резистивной памяти, теоретики развивали теорию электрических цепей. Так, в 1971 году профессор Калифорнийского университета в Беркли Леон Чуа (Leon O. Chua) сформулировал идею мемристора (memristor, от memory - “память” + resistor - “электрическое сопротивление”). В отличие от резистора, значение сопротивления которого всегда одинаково, сопротивление мемристора зависит от “предыстории”, то есть от того, как долго пропускать через него ток. Чем дольше проходит ток, тем сильнее уменьшается его сопротивление. Причем если пустить ток в обратном направлении, то сопротивление начнет снова увеличиваться. Такие элементы были экспериментально созданы в 2008 году командой исследователей из компании Hewlett Packard под руководством физика Стэнли Уильямса (R. Stanley Williams). Кстати, первый автор в той знаменитой статье в Nature - выходец из России, выпускник физтеха Дмитрий Струков.
- В чем достоинства таких устройств?
- Достоинство в том, что мемристор может принимать не только стандартные для обычных устройств цифровой памяти положения “0” или “1”, но и любые значения в промежутке между ними, то есть способен работать как в цифровом (дискретном), так и в аналоговом режиме. В результате появились идеи, что на основе мемристоров можно создавать вычислительные сети, аналогичные сетям нейронов головного мозга.
- Довольно неожиданный переход от элементов электрической цепи к нейронным связям!
- В 1980-е годы биологи исследовали, как работают синапсы головного мозга, и обнаружили, что их поведение подчиняется математической модели мемристора, предложенного Чуа. То есть синапс нервной системы - это один из примеров биологического мемристора.
- Придется напомнить, как работают синапсы...
- Хорошо. Хотя мы не биологи, но поневоле этот вопрос изучили. Мозг состоит из огромной сети нейронов, каждый из которых представляет ядро с подходящими и отходящими от него “нитями” (соответственно, дендритами и аксонами), соединяющими его с другими нейронами. По дендритам и аксонам проходят сигналы - нервные импульсы. Место пересечения или контакта “нитей” соседних нейронов - это и есть синапсы. В биологическом мозге в синапсах в результате подачи нервных импульсов протекают химические процессы, которые изменяют их “передаточную функцию” и “вес” в зависимости от того, какие сигналы проходят по перекрещивающимся “нитям”. Но в модельном представлении можно считать их электрическими устройствами, только не с фиксированным, а с переменным сопротивлением. В нашем мозге они образуют гигантскую и чрезвычайно сложную сеть - примерно 100 миллиардов нейронов, каждый из которых соединен с тысячами других! Как в результате организована наша память, а тем более сознание - до сих пор не совсем понятно, но есть важные догадки и построенные на них очень упрощенные модели, которые можно пытаться воспроизвести, как говорится, “в железе”.
- Как же повторить то, что создано природой, если не понятен принцип действия? Да и нужно ли?
- Нужно. Мозг работает очень эффективно в решении многих задач, например, в области классификации объектов или распознавания образов. Вы видите 1000 лиц, и среди них за долю секунды находите то, которое нужно. И несмотря на то что в мозге нет ничего очень “быстрого”: любой сигнал проходит примерно за 0,1 секунды, распознавание образов происходит за такое же время, то есть за один такт, так как вся информация процессируется параллельно, а не последовательно, как в современных компьютерах. Вот в этом и заключаются посыл и естественные амбиции попытаться сделать что-то похожее. Сейчас предпринимаются попытки построить систему, элементы которой - “слои нейронов”, а связи между ними - “синапсы”, веса которых, то есть сила этих связей, будут меняться, но главное при этом, что обработка входящей информации происходит параллельно. Это и есть нейроморфные вычислительные сети. Понятно, что об их создании люди думали и раньше. Но если до недавнего времени (2008 год) речь шла о том, что каждый нейрон и синапс необходимо моделировать громоздким (несколько десятков) набором стандартных кремниевых транзисторов, то теперь можно изготовить “синапс” нанометровых размеров - гораздо меньше, чем в биологическом мозге.
Юрий Матвеев: - Большинство современных методов распознавания и классификации образов базируются на так называемых bio-inspired (“вдохновленных природой”) технологиях. Они работают на основе математических моделей нейросетей, которые как раз были “вдохновлены” исследованиями мозга. Математика помогает делать что-то проще, эффективнее, но главная проблема в том, что нейронная сеть обсчитывается на обычном цифровом компьютере, и компьютер в данном случае чудовищно неэффективен: он тратит огромное количество энергии, но все равно не справляется со многими задачами, которые мы без труда решаем “в уме”. И хотя в нашей голове нет ничего маленького, никаких нанотехнологий (все аксоны длинные, синапсы большие), человеческий мозг объемом 1 литр и потребляемой мощностью около 100 Вт - само совершенство. А компьютеры, которые могут хоть в малой степени воспроизвести его функциональность, занимают целые залы и требуют мегаватты мощности...
- Таким образом, решение проблемы - в создании искусственных нейросетей. Есть ли успехи в этом направлении?
Андрей Зенкевич: - 95 процентов нейроморфной науки - это попытка создать новые модели, которые будут эффективно работать на обычных компьютерах, например обсчитывать изображения. Сложность в том, что нейронную сеть надо очень тонко настраивать, обучать. Прорыв возник в тот момент, когда группа из Hewlett Packard сообщила о созданном мемристоре. Был очень большой резонанс и очень большие ожидания: “Создан электронный синапс!” Ребята из HP показали, что такие устройства могут быть компактнее реальных структур мозга и иметь размеры 10х10х10 кубических нанометров. То есть сегодня научились делать устройства, которые функционально напоминают синапсы, в том числе и по энергопотреблению. Теперь надо реализовать нейронные сети “в железе”, то есть научиться изготавливать их на чипах. И это - передний край мировой науки. Считаные научные группы в мире демонстрируют какую-то функциональность нейронных сетей с использованием мемристоров для распознавания пока очень простых образов, например цифр. Необходимо научиться работать с этими элементами, матрицами из них для того, чтобы дальше, используя нейроны, которые тоже выполнены “в железе”, но по традиционной кремниевой технологии, построить нейронные сети и продемонстрировать, как с их помощью удается производить вычисления, классифицировать, распознавать объекты.
- А как выглядят ваши достижения в решении этой задачи?
- Мы добились от элементов резистивной памяти свойств мемристоров, где будет переключение не резкое, а плавное, где можно множество раз увеличивать и уменьшать сопротивление, то есть добиться их “пластичности”. Для этого такие структуры надо было научиться растить, формировать в наноразмерных устройствах, а затем заставить правильно работать. Сегодня мы уже научились это делать, умеем экспериментально получать индивидуальные мемристоры. Но идея нашего проекта заключается в том, чтобы использовать не индивидуальные мемристоры, а попытаться сделать из них хотя бы небольшие матрицы. Это тоже проблема, которую не перепрыгнешь, потому что добиться воспроизводимости характеристик мемристоров, если их не 1 или 2, а десятки, не так просто. Сейчас мы хотим использовать матрицы мемристоров для того, чтобы на их основе разработать соответствующую архитектуру. То есть то, как это будет выглядеть “в железе”. В качестве синапсов в нашем проекте предполагаются мемристоры, а в качестве нейронов будут изготовлены устройства на кремниевых чипах по стандартной технологии компании “Микрон”. Вот в чем наш большой план.
- Вы собираетесь штурмовать серьезные высоты...
Дмитрий Негров: - Насколько нам известно, нигде в мире реализовать такую систему полностью “в железе” пока не удалось. В этом смысле планы у нас мирового уровня. Строго говоря, в проекте РНФ мы их и не заявляли. Мы собирались делать мемристоры, проверять их синаптические свойства, строить из них матрицы и получить какой-то простейший демонстратор на основе всего этого, чтобы затем выстраивать компьютерные модели нейроморфных систем. То есть мы не рассчитывали на изготовление даже простейшего нейрочипа, который был бы полностью самодостаточен. Но если в ближайшем будущем мы этот чип получим (а предпосылки есть), тогда можно будет говорить о результате мирового класса!


Беседовала Светлана БЕЛЯЕВА
Фото Николая СТЕПАНЕНКОВА  
 


 

Отзывы

Чтобы оставить отзыв необходимо авторизоваться или зарегистрироваться



 

Статьи на тему

Томский государственный университет
Томский государственный университет ведет научные исследования широким фронтом. Сегодня мы расскажем о последней находке палеонтологов, о достижениях химиков, помогающих фармацевтам, а также о проекте физиков, математиков и биологов, объединившихся в интересах медицины. /№ 40(2016)
Физика и жизнь. На стыке наук рождаются истины.
Цель организаторов конференции “Физика - наукам о жизни” состояла в том, чтобы объединить физиков, уже подключившихся к проблематике наук о жизни, с биологами и медиками, которые поняли, что дальнейший прогресс в работе требует использования в том числе физических методов и подходов с их богатым техническим арсеналом. Причем речь идет об исследованиях на всех уровнях сложности: от молекулярных и клеточных структур до осмысления деятельности мозга и сознания. /№ 40(2016)
Маяки на небосводе. Без “подсветки” нашу Галактику изучать затруднительно.
Единственное место, где в СССР удавалось принимать импульсы загадочных космических объектов, была обсерватория в Пущине. Короткие всплески излучения пульсаров фиксировали самописцы, наподобие едва ли не всем известных кардиографов. Цифровые записи сигналов научились делать немного позднее. И все эти годы Михаил Попов, ныне доктор физико-математических наук, заведующий отделом Астрокосмического центра Физического института им. П.Н.Лебедева РАН, изучает пульсары. /№ 40(2016)

РЕФОРМА РАН


В Екатеринбурге прошла внеочередная сессия Общего собрания Уральского отделения РАН, посвященная предстоящим выборам в академию. Как отметил во вступительном слове вице-президент РАН, председатель УрО Валерий Чарушин, эти выборы проходят после пятилетнего перерыва, связанного с реформой, и поэтому исключительно важны для всего научного сообщества и его региональных сегментов, тем более что впервые после объединения трех академий они проводятся в новом формате.

Профсоюз Российской академии наук разместил на своем сайте план проведения кампании за увеличение финансирования науки. Для начала ученые собираются развернуть борьбу против возможного сокращения расходов на исследования в 2016 году и предстоящем трехлетии...

Ведущие российские ученые - академики, члены-корреспонденты и профессора РАН - выступили с открытым письмом Президенту РФ Владимиру Путину, в котором подвергли жесткой критике результаты научной реформы.

На заседании Бюро Научно-координационного совета при ФАНО в очередной раз решалась судьба Якутского научного центра Сибирского отделения РАН.

Завершился прием заявок на получение статуса эксперта Российской академии наук. Удалось ли РАН сформировать корпус специалистов, способных оценить результаты исследований во всех областях науки и перспективы предлагаемых к реализации государственных проектов?

Конференции


30.09.2016
Школа состоится 25-27 октября 2016 года в МГТУ им. Н.Э.Баумана при поддержке Российского научного фонда.

30.09.2016
Перечень научных конференций, симпозиумов, съездов, семинаров и школ, проводимых подведомственными ФАНО России организациями в 2016 году.

23.09.2016
Всероссийская конференция «Наука и инновации – повышение эффективности прикладной науки» состоится 12 октября в гостиничном комплексе "Президент-отель" г. Москва.

Текущие конкурсы


23.09.2016
Стартовала кампания по распределению социальных выплат (государственных жилищных сертификатов) 2017 года молодым ученым из подведомственных ФАНО организаций. Списки и документы молодых сотрудников, желающих получить сертификаты, должны быть представлены не позднее 1 ноября текущего года.

23.09.2016
Совет при Президенте РФ по науке и образованию объявляет о приеме с 15 сентября 2016 года документов на соискание Государственной премии Российской Федерации в области науки и технологий за 2016 год.

23.09.2016
Изменения по конкурсу 2017 года проектов фундаментальных научных исследований, проводимому совместно федеральным государственным бюджетным учреждением “Российский фонд фундаментальных исследований” и Национальным институтом онкологии США.

23.09.2016
Конкурс 2017 года проектов фундаментальных научных исследований, выполняемых молодыми учеными (Эврика. Идея).

23.09.2016
Российский научный фонд начал прием заявок на конкурс по поддержке международных научных коллективов. Конкурс проводится совместно с Немецким научно-исследовательским сообществом (DFG).

Вакансии


09.09.2016
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П.Ширшова Российской академии наук объявляет конкурс на замещение вакантной должности...

12.08.2016
Институт биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН объявляет конкурс на замещение следующих вакантных должностей...

29.07.2016
Образовательное частное учреждение высшего образования “Академия МНЭПУ” объявляет о проведении выборов на замещение вакантных должностей...





опрос

Какие рубрики нашей газеты Вам наиболее интересны?




Copyright 2010
Главная страница   |   О газете  |  Партнеры  |  Команда Поиска  |  РЕФОРМА РАН