Інноваційний прототип “комп’ютера-резервуара” перевершує деякі цифрові комп’ютери у прогнозуванні подій

Чи може комп’ютер вчитися на минулому і передбачати, що станеться далі, як людина?

Можливо, ви не здивуєтеся, почувши, що деякі найсучасніші моделі штучного інтелекту здатні на таке, але як щодо комп’ютера, який виглядає дещо інакше – більше схожого на резервуар з водою?

Ми побудували невеликий концептуальний комп’ютер, який використовує проточну воду замість традиційного логічного процесора, і прогнозує майбутні події за допомогою підходу, який називається “резервуарні обчислення”.

Під час порівняльних тестів наш аналоговий комп’ютер добре запам’ятовував вхідні дані та прогнозував майбутні події – а в деяких випадках навіть краще, ніж високопродуктивний цифровий комп’ютер.

Тож як це працює?

Кидання камінців у ставок
Уявіть собі двох дітей, Алісу та Боба, які граються на березі ставка. Боб кидає у воду великі та маленькі камінці по одному, начебто навмання.

Великі і маленькі камінці створюють хвилі різного розміру. Аліса спостерігає за хвилями, які створюють камінці, і вчиться передбачати, що хвилі будуть робити далі – і на основі цього вона може здогадатися, який камінчик Боб кине наступним.

Комп’ютери-резервуари копіюють процес міркувань, що відбувається в мозку Аліси. Вони можуть вчитися на минулих даних, щоб передбачати майбутні події.

Хоча резервуарні комп’ютери були вперше запропоновані з використанням нейронних мереж – комп’ютерних програм, що ґрунтуються на структурі нейронів у мозку, – їх також можна побудувати з використанням простих фізичних систем.

Резервуарні комп’ютери – це аналогові комп’ютери. Аналоговий комп’ютер представляє дані безперервно, на відміну від цифрових комп’ютерів, які представляють дані як двійкові стани “нуль” і “одиниця”, що різко змінюються.

Безперервне представлення даних дозволяє аналоговим комп’ютерам моделювати певні природні події – ті, що відбуваються в непередбачуваній послідовності, яка називається “хаотичний часовий ряд” – краще, ніж цифрові комп’ютери.

Як робити прогнози

Щоб зрозуміти, як ми можемо використовувати комп’ютер з водосховищем для прогнозування, уявіть, що у вас є дані про щоденну кількість опадів за останній рік і відро, повне води, поруч з вами. Відро буде нашим “обчислювальним резервуаром”.

Ми вводимо щоденні дані про кількість опадів у відро за допомогою каменю. У день невеликого дощу кидаємо маленький камінчик, у день сильного дощу – великий камінчик. У день, коли не було дощу, ми не кидаємо жодного камінця.

Кожен камінь створює хвилі, які потім розтікаються навколо відра і взаємодіють з хвилями, створеними іншими каменями.

В кінці цього процесу стан води у відрі дає нам прогноз. Якщо взаємодія між хвилями створює нові великі хвилі, ми можемо сказати, що наш комп’ютер у водосховищі прогнозує сильні дощі. Але якщо вони маленькі, то варто очікувати лише невеликого дощу.

Також можливо, що хвилі погасять одна одну, утворюючи спокійну водну поверхню. У такому випадку дощу не варто очікувати.

Водосховище робить прогноз погоди, тому що хвилі у відрі і характер дощу змінюються з часом за тими ж законами фізики.

Так само, як і багато інших природних та соціально-економічних процесів. Це означає, що комп’ютер водосховища може також прогнозувати фінансові ринки і навіть певні види людської діяльності.

Довготривалі хвилі

Комп’ютер з “відром води” має свої межі. По-перше, хвилі недовговічні. Для прогнозування складних процесів, таких як зміна клімату і зростання населення, нам потрібен резервуар з більш тривалими хвилями.

Один з варіантів – “солітони”. Це хвилі, що самопідсилюються, зберігають свою форму і рухаються на великі відстані.

Для нашого комп’ютера водосховища ми використовували компактні солітоноподібні хвилі. Ви часто бачите такі хвилі в раковині у ванній кімнаті або питному фонтанчику.

У нашому комп’ютері тонкий шар води тече по злегка нахиленій металевій пластині. Невеликий електричний насос змінює швидкість потоку і створює поодинокі хвилі.

Ми додали флуоресцентний матеріал, щоб змусити воду світитися в ультрафіолетовому світлі, щоб точно виміряти розмір хвиль.

Насос відіграє роль камінців, що падають у грі Аліси та Боба, а поодинокі хвилі відповідають хвилям на поверхні води.

Поодинокі хвилі рухаються набагато швидше і живуть довше, ніж хвилі води у відрі, що дозволяє нашому комп’ютеру обробляти дані з більшою швидкістю.

Як це працює?

Ми перевірили здатність нашого комп’ютера запам’ятовувати минулі вхідні дані і робити прогнози для еталонного набору хаотичних і випадкових даних.

Наш комп’ютер не лише виконав усі завдання надзвичайно добре, але й перевершив високопродуктивний цифровий комп’ютер, який вирішував ту саму задачу.

З моїм колегою Андрієм Потоцьким ми також створили математичну модель, яка дозволила нам краще зрозуміти фізичні властивості поодиноких хвиль.

Далі ми плануємо мініатюризувати наш комп’ютер у вигляді мікрофлюїдного процесора. Водяні хвилі зможуть виконувати обчислення всередині мікросхеми, яка працює подібно до кремнієвих чіпів, що використовуються в кожному смартфоні.

У майбутньому наш комп’ютер зможе створювати надійні довгострокові прогнози в таких сферах, як зміна клімату, лісові пожежі та фінансові ринки – при набагато меншій вартості та ширшій доступності, ніж сучасні суперкомп’ютери.

Наш комп’ютер також має природний імунітет до кібератак, оскільки він не використовує цифрові дані.

Ми бачимо, що мікрофлюїдний комп’ютер на основі солітонів принесе науку про дані та машинне навчання в сільські та віддалені громади по всьому світу. Але поки що наша дослідницька робота триває.