Kiungo kinachoratibu na kudhibiti kazi zote muhimu za mwili na kudhibiti tabia. Mawazo yetu yote, hisia, hisia, tamaa na harakati zinahusishwa na kazi ya ubongo, na ikiwa haifanyi kazi, mtu huenda kwenye hali ya mimea: uwezo wa kufanya vitendo vyovyote, hisia au athari kwa mvuto wa nje hupotea. .

Mfano wa kompyuta wa ubongo

Chuo Kikuu cha Manchester kimeanza kuunda kompyuta ya kwanza kati ya aina mpya, ambayo muundo wake unaiga muundo wa ubongo wa binadamu, BBC inaripoti. Gharama ya mfano itakuwa pauni milioni 1.

Kompyuta iliyojengwa kwa kanuni za kibaolojia, asema Profesa Steve Furber, inapaswa kuonyesha uthabiti mkubwa katika uendeshaji. "Ubongo wetu unaendelea kufanya kazi licha ya kushindwa mara kwa mara kwa niuroni zinazounda tishu zetu za neva," asema Furber. "Mali hii ni ya kupendeza sana kwa wabunifu ambao wana nia ya kufanya kompyuta iwe ya kuaminika zaidi."

Viunganishi vya Ubongo

Ili kuinua kioo kwa miguu kadhaa kwa kutumia nishati ya akili peke yake, wachawi walipaswa kutoa mafunzo kwa saa kadhaa kwa siku.
Vinginevyo, kanuni ya lever inaweza kufinya ubongo kwa urahisi kupitia masikio.

Terry Pratchett, "Rangi ya Uchawi"

Kwa wazi, utukufu wa taji wa kiolesura cha mashine ya binadamu unapaswa kuwa uwezo wa kudhibiti mashine kwa mawazo pekee. Na kupata data moja kwa moja kwenye ubongo tayari ni kilele cha ukweli halisi unaweza kufikia. Wazo hili si geni na limeangaziwa katika aina mbalimbali za fasihi za uongo za kisayansi kwa miaka mingi. Hapa kuna karibu cyberpunk zote zilizo na miunganisho ya moja kwa moja kwa cyberdecks na biosoftware. Na udhibiti wa teknolojia yoyote kwa kutumia kiunganishi cha kawaida cha ubongo (kwa mfano, Samuel Delany katika riwaya "Nova"), na mambo mengine mengi ya kuvutia. Lakini hadithi za kisayansi ni nzuri, lakini ni nini kinachofanywa katika ulimwengu wa kweli?

Inabadilika kuwa maendeleo ya miingiliano ya ubongo (BCI au BMI - kiolesura cha ubongo-kompyuta na kiolesura cha mashine ya ubongo) inaendelea kikamilifu, ingawa watu wachache wanajua kuihusu. Kwa kweli, mafanikio ni mbali sana na yale yaliyoandikwa katika riwaya za hadithi za kisayansi, lakini, hata hivyo, yanaonekana kabisa. Hivi sasa, kazi kwenye miingiliano ya ubongo na neva inafanywa hasa kama sehemu ya uundaji wa vifaa vya bandia na vifaa vya kurahisisha maisha kwa watu waliopooza kwa sehemu au kabisa. Miradi yote inaweza kugawanywa katika miingiliano ya pembejeo (marejesho au uingizwaji wa viungo vya hisia vilivyoharibiwa) na pato (udhibiti wa prostheses na vifaa vingine).

Katika hali zote pembejeo moja kwa moja data, ni muhimu kufanya operesheni ya kuingiza electrodes kwenye ubongo au mishipa. Katika kesi ya pato, unaweza kupata na sensorer nje kwa kuchukua electroencephalogram (EEG). Walakini, EEG ni zana isiyoaminika, kwani fuvu hudhoofisha sana mikondo ya ubongo na habari ya jumla tu inaweza kupatikana. Ikiwa electrodes hupandwa, data inaweza kuchukuliwa moja kwa moja kutoka kwa vituo vya ubongo vinavyotakiwa (kwa mfano, vituo vya magari). Lakini operesheni kama hiyo ni jambo kubwa, kwa hivyo kwa sasa majaribio yanafanywa kwa wanyama tu.

Kwa kweli, ubinadamu kwa muda mrefu ulikuwa na kompyuta "moja". Kulingana na mwanzilishi mwenza wa jarida la Wired Kevin Kelly, mamilioni ya Kompyuta zilizounganishwa kwenye Mtandao Simu ya kiganjani, PDA na vifaa vingine vya dijiti vinaweza kuzingatiwa kama vipengee vya Kompyuta Iliyounganishwa. Yake CPU- hizi ni wasindikaji wote wa vifaa vyote vilivyounganishwa, gari lake ngumu - diski ngumu na anatoa flash duniani kote, na RAM ni kumbukumbu ya jumla ya kompyuta zote. Kila sekunde, kompyuta hii huchakata kiasi cha data sawa na taarifa zote zilizomo katika Maktaba ya Congress, na mfumo wake wa uendeshaji ni Mtandao Wote wa Ulimwenguni.

Badala ya sinepsi za seli za ujasiri, hutumia viungo vinavyofanya kazi sawa. Wote wawili wana jukumu la kuunda vyama kati ya nodi. Kila kitengo cha mawazo, kama vile wazo, hukua kadiri miunganisho zaidi na zaidi inavyofanywa na mawazo mengine. Pia kwenye mtandao: idadi kubwa ya viungo kwa rasilimali fulani (nodal point) inamaanisha umuhimu wake mkubwa kwa Kompyuta kwa ujumla. Zaidi ya hayo, idadi ya viungo kwenye Mtandao Wote wa Ulimwenguni iko karibu sana na idadi ya sinepsi katika ubongo wa mwanadamu. Kelly anakadiria kuwa kufikia mwaka wa 2040, kompyuta ya sayari itakuwa na nguvu ya kompyuta inayolingana na nguvu ya ubongo ya watu wote bilioni 7 ambao watakuwa wakiishi Duniani wakati huo.

Lakini vipi kuhusu ubongo wa mwanadamu wenyewe? Utaratibu wa kibayolojia uliopitwa na wakati. Jambo letu la kijivu linaendeshwa kwa kasi ya kichakataji cha kwanza kabisa cha Pentium, kutoka 1993. Kwa maneno mengine, ubongo wetu hufanya kazi kwa mzunguko wa 70 MHz. Aidha, ubongo wetu hufanya kazi kulingana na kanuni ya analog, kwa hivyo hakuwezi kuwa na swali la kulinganisha na njia ya dijiti ya usindikaji wa data. Hii ndiyo tofauti kuu kati ya synapses na hyperlinks: synapses, kukabiliana na mazingira yao na habari zinazoingia, kwa ustadi kubadilisha viumbe, ambayo kamwe ina hali mbili zinazofanana. Hyperlink, kwa upande mwingine, daima ni sawa, vinginevyo matatizo huanza.

Hata hivyo, ni lazima ikubalike kwamba ubongo wetu ni bora zaidi kuliko mfumo wowote wa bandia ulioundwa na watu. Kwa njia ya kushangaza kabisa, uwezo wote mkubwa wa kompyuta wa ubongo uko kwenye fuvu letu, uzani wa kilo moja tu, na wakati huo huo inahitaji wati 20 tu za nishati kufanya kazi. Linganisha takwimu hizi na Wati bilioni 377 ambazo, kulingana na makadirio ya hesabu, kwa sasa zinatumiwa na Kompyuta Moja. Hii, kwa njia, ni kama 5% ya uzalishaji wa umeme wa kimataifa.

Ukweli tu wa matumizi makubwa ya nishati kama haya hautaruhusu Kompyuta Iliyounganishwa hata kuja karibu na ufanisi wa ubongo wa mwanadamu. Hata mwaka wa 2040, wakati nguvu ya kompyuta ya kompyuta inakuwa ya juu, matumizi yao ya nishati yataendelea kuongezeka.

Wazo kuu la kazi za Ray Kurzweil maarufu ni akili ya bandia, ambayo hatimaye itatawala nyanja zote za maisha ya watu. Katika kitabu chake kipya, Mageuzi ya Akili, Kurzweil anafunua uwezekano usio na mwisho wa uhandisi wa nyuma wa ubongo wa mwanadamu.

Katika makala hiyo hiyo, Turing aliripoti ugunduzi mwingine usiotarajiwa kuhusu matatizo ambayo hayawezi kusuluhishwa. Matatizo yasiyoweza kutatuliwa ni yale ambayo yanaelezewa vizuri na suluhisho la pekee (ambalo linaweza kuonyeshwa kuwa lipo), lakini (ambayo inaweza pia kuonyeshwa) haiwezi kutatuliwa na mashine yoyote ya Turing (yaani, kwa mashine yoyote). Wazo la uwepo wa shida kama hizo kimsingi linapingana na wazo ambalo liliundwa mwanzoni mwa karne ya 20. imani kwamba matatizo yote yanayoweza kutatuliwa yanaweza kutatuliwa. Turing ilionyesha kuwa idadi ya shida zisizoweza kutatuliwa sio chini ya idadi ya shida zinazoweza kutatuliwa. Mnamo 1931, Kurt Gödel alifikia mkataa uleule alipotunga “nadharia ya kutokamilika.” Hii ni hali ya ajabu: tunaweza kuunda tatizo, tunaweza kuthibitisha kwamba ina ufumbuzi wa pekee, lakini wakati huo huo tunajua kwamba hatuwezi kamwe kupata suluhisho hili.

Turing ilionyesha kuwa mashine za kompyuta zinafanya kazi kwa msingi wa utaratibu rahisi sana. Kwa kuwa mashine ya Turing (na kwa hiyo kompyuta yoyote) inaweza kuamua kazi yake inayofuata kulingana na matokeo yake ya awali, ina uwezo wa kufanya maamuzi na kuunda miundo ya habari ya hierarchical ya utata wowote.

Mnamo 1939, Turing alibuni kikokotoo cha kielektroniki cha Bombe, ambacho kilisaidia kufafanua ujumbe uliokusanywa na Wajerumani kwenye mashine ya kuandika ya Enigma. Kufikia 1943, timu ya wahandisi iliyoshirikishwa na Turing ilikuwa imekamilisha mashine ya Colossus, ambayo nyakati nyingine iliitwa kompyuta ya kwanza katika historia. Hii iliruhusu Washirika kubainisha ujumbe ulioundwa tena toleo ngumu Fumbo. Mashine za Bombe na Colossus ziliundwa kufanya kazi moja na hazikuweza kupangwa upya. Lakini walifanya kazi yao kwa ustadi. Inaaminika kuwa kwa sababu yao, Washirika waliweza kutarajia mbinu za Wajerumani wakati wote wa vita, na Jeshi la anga la Royal liliweza kushinda vikosi vya Luftwaffe mara tatu zaidi kuliko wao kwenye Vita vya Uingereza.

Ilikuwa kwa msingi huu kwamba John von Neumann aliunda kompyuta ya usanifu wa kisasa, akionyesha ya tatu ya mawazo manne muhimu zaidi ya nadharia ya habari. Katika karibu miaka sabini tangu wakati huo, msingi wa msingi wa mashine hii, inayoitwa mashine ya von Neumann, imebakia bila kubadilika - kutoka kwa kidhibiti kidogo kwenye mashine yako ya kuosha hadi kompyuta kubwa zaidi. Katika makala iliyochapishwa mnamo Juni 30, 1945, yenye kichwa "Ripoti ya Rasimu ya Kwanza juu ya EDVAC", von Neumann alielezea mawazo ya msingi ambayo yameongoza maendeleo ya sayansi ya kompyuta tangu wakati huo. Mashine ya von Neumann ina kitengo cha usindikaji cha kati ambapo shughuli za hesabu na mantiki hufanywa, moduli ya kumbukumbu ambapo programu na data huhifadhiwa, kumbukumbu ya wingi, kihesabu cha programu na njia za kuingiza/towe. Ingawa makala hiyo ilikusudiwa kutumiwa ndani kama sehemu ya mradi huo, ikawa Biblia kwa ajili ya waundaji wa kompyuta. Hivi ndivyo wakati mwingine ripoti rahisi ya kawaida inaweza kubadilisha ulimwengu.

Mashine ya Turing haikukusudiwa kwa madhumuni ya vitendo. Nadharia za Turing hazikuhusika na ufanisi wa utatuzi wa shida, lakini zilielezea anuwai ya shida ambazo zinaweza kutatuliwa kinadharia na kompyuta. Kinyume chake, lengo la von Neumann lilikuwa kuunda dhana ya kompyuta halisi. Mtindo wake ulibadilisha mfumo wa Turing wa biti moja na mfumo wa biti nyingi (kawaida nyingi ya biti nane). Mashine ya Turing ina mkanda wa kumbukumbu wa serial, kwa hivyo programu hutumia muda mrefu sana kusonga tepi na kurudi kwa kuandika na kurejesha. matokeo ya kati. Kinyume chake, katika mfumo wa von Neumann, kumbukumbu hupatikana kwa nasibu, ikiruhusu data yoyote inayohitajika kurejeshwa mara moja.

Moja ya mawazo muhimu ya von Neumann ni dhana ya programu iliyohifadhiwa, ambayo alianzisha miaka kumi kabla ya kuundwa kwa kompyuta. Kiini cha dhana ni kwamba programu imehifadhiwa katika moduli sawa ya kumbukumbu ya upatikanaji wa random kama data (na mara nyingi hata kwenye kizuizi sawa cha kumbukumbu). Hii inakuwezesha kupanga upya kompyuta ili kutatua matatizo tofauti na kuunda msimbo wa kujirekebisha (katika kesi ya anatoa za kurekodi), ambayo inafanya uwezekano wa kujirudia. Hadi wakati huo, karibu kompyuta zote, ikiwa ni pamoja na Colossus, ziliundwa kutatua matatizo maalum. Wazo la programu iliyohifadhiwa iliruhusu kompyuta kuwa mashine ya ulimwengu wote, inayoendana na wazo la Turing la ulimwengu wa kompyuta ya mashine.

Sifa nyingine muhimu ya mashine ya von Neumann ni kwamba kila maagizo yana msimbo wa uendeshaji unaobainisha hesabu au uendeshaji wa kimantiki na anwani ya operesheni kwenye kumbukumbu ya kompyuta.

Dhana ya Von Neumann ya usanifu wa kompyuta ilionekana katika mradi wa EDVAC, ambao alifanya kazi na Presper J. Eckert na John Mauchly. Kompyuta ya EDVAC haikufanya kazi hadi 1951, wakati kompyuta zingine za programu zilizohifadhiwa tayari zilikuwepo, kama vile Mashine Ndogo ya Majaribio ya Manchester, ENIAC, EDSAC na BINAC, zote ziliundwa kwa ushawishi wa karatasi ya von Neumann na kwa ushiriki wa Eckert. na Mauchly. Von Neumann pia alihusika katika maendeleo ya baadhi ya mashine hizi, ikiwa ni pamoja na toleo la hivi punde ENIAC, ambayo ilitumia kanuni ya programu iliyohifadhiwa.

Kompyuta ya usanifu ya von Neumann ilikuwa na watangulizi kadhaa, lakini hakuna hata mmoja wao - isipokuwa moja isiyotarajiwa - anaweza kuitwa mashine ya kweli ya von Neumann. Mnamo 1944, Howard Aiken alitoa Mark I, ambayo ilikuwa inayoweza kupangwa tena kwa kiasi fulani, lakini haikutumia programu iliyohifadhiwa. Mashine ilisoma maagizo kutoka kwa kadi iliyopigwa na kutekeleza mara moja. Gari pia haikutoa mabadiliko ya masharti.

Mnamo 1941, mwanasayansi wa Ujerumani Konrad Zuse (1910-1995) aliunda kompyuta ya Z-3. Pia ilisoma programu kutoka kwa mkanda (katika kesi hii, encoded kwenye mkanda) na pia haukufanya matawi ya masharti. Jambo la kufurahisha ni kwamba Zuse alipokea usaidizi wa kifedha kutoka Taasisi ya Ujerumani ya Uhandisi wa Ndege, ambayo ilitumia kompyuta hii kuchunguza mlio wa bawa la ndege. Hata hivyo, pendekezo la Zuse la kufadhili uingizwaji wa mirija ya redio na mirija ya redio halikuungwa mkono na serikali ya Nazi, ambayo iliona maendeleo ya teknolojia ya kompyuta "si ya umuhimu wa kijeshi." Hii, inaonekana kwangu, iliathiri matokeo ya vita kwa kiwango fulani.

Kwa kweli, von Neumann alikuwa na mtangulizi mmoja mwenye kipaji, naye aliishi miaka mia moja mapema! Mwanahisabati Mwingereza na mvumbuzi Charles Babbage (1791–1871) alielezea Injini yake ya Uchambuzi mwaka wa 1837, ambayo iliegemezwa kwenye kanuni sawa na kompyuta ya von Neumann na alitumia programu iliyohifadhiwa iliyochapishwa kwenye kadi zilizopigwa kwenye mashine za kufuma jacquard. Kumbukumbu ya mashine ya ufikiaji bila mpangilio ilikuwa na maneno 1,000 ya sehemu 50 za desimali kila moja (sawa na takriban kilobaiti 21). Kila maagizo yalikuwa na opcode na nambari ya operesheni - kama ilivyo katika lugha za kisasa za kompyuta. Mfumo haukutumia matawi ya masharti au vitanzi, kwa hiyo ilikuwa mashine ya kweli ya von Neumann. Kiufundi kabisa, inaonekana ilizidi muundo na uwezo wa shirika wa Babbage mwenyewe. Aliunda sehemu za mashine, lakini hakuwahi kuizindua.

Haijulikani kwa hakika ikiwa waanzilishi wa kompyuta wa karne ya 20, akiwemo von Neumann, walifahamu kazi ya Babbage.

Walakini, uundaji wa mashine ya Babbage uliashiria mwanzo wa maendeleo ya programu. Mwandishi wa Kiingereza Ada Byron (1815-1852), Countess of Lovelace, mtoto pekee halali wa mshairi Lord Byron, alikua mpangaji programu wa kwanza wa kompyuta ulimwenguni. Aliandika programu za Engine Analytical Engine ya Babbage na kuzitatua kichwani mwake (kwani kompyuta haikufanya kazi kamwe). Sasa waandaaji wa programu huita ukaguzi huu wa jedwali la mazoezi. Alitafsiri makala ya mwanahisabati wa Kiitaliano Luigi Menabrea kuhusu Injini ya Uchanganuzi, akiongeza maoni yake mwenyewe muhimu na kubainisha kwamba "Injini ya Uchambuzi hufuma mifumo ya aljebra kama vile kitanzi cha jacquard kinachofuma maua na majani." Anaweza kuwa wa kwanza kutaja uwezekano wa kuunda akili ya bandia, lakini alihitimisha kuwa injini ya uchambuzi "haina uwezo wa kuja na chochote peke yake."

Mawazo ya Babbage yanaonekana kuwa ya kushangaza kwa kuzingatia enzi ambayo aliishi na kufanya kazi. Walakini, katikati ya karne ya 20. mawazo haya yalisahauliwa kivitendo (na yaligunduliwa tu baadaye). Ilikuwa von Neumann ambaye aligundua na kuunda kanuni muhimu za uendeshaji wa kompyuta katika hali yake ya kisasa, na sio bure kwamba mashine ya von Neumann inaendelea kuchukuliwa kuwa mfano mkuu wa kompyuta. Hata hivyo, tusisahau kwamba mashine ya von Neumann daima hubadilishana data kati ya moduli za mtu binafsi na ndani ya moduli hizi, kwa hiyo haikuweza kuundwa bila nadharia za Shannon na mbinu ambazo alipendekeza kwa maambukizi ya kuaminika na uhifadhi wa habari za digital.

Haya yote yanatuleta kwenye wazo la nne muhimu, ambalo linashinda hitimisho la Ada Byron kuhusu kutokuwa na uwezo wa kompyuta kufikiri kwa ubunifu na hutuwezesha kupata algorithms muhimu zinazotumiwa na ubongo, ambazo zinaweza kutumika kugeuza kompyuta kuwa ubongo. Alan Turing alitengeneza tatizo hili katika karatasi yake "Mashine za Kompyuta na Ujasusi," iliyochapishwa mnamo 1950, ambayo ilielezea jaribio linalojulikana sasa la Turing kuamua ukaribu wa AI na akili ya mwanadamu.

Mnamo 1956, von Neumann alianza kuandaa safu ya mihadhara kwa Masomo ya Silliman ya kifahari katika Chuo Kikuu cha Yale. Mwanasayansi huyo alikuwa tayari anaugua saratani na hakuweza kutoa mihadhara yake au hata kumaliza maandishi ambayo mihadhara hiyo ilitegemea. Walakini, kazi hii ambayo haijakamilika ni utabiri mzuri wa kile ambacho mimi binafsi naona kama mradi mgumu na muhimu zaidi katika historia ya wanadamu. Baada ya kifo cha mwanasayansi huyo, mnamo 1958, hati hiyo ilichapishwa chini ya kichwa "Kompyuta na Ubongo." Ilifanyika kwamba kazi ya mwisho ya mmoja wa wanahisabati wenye kipaji zaidi wa karne iliyopita na mmoja wa waanzilishi wa teknolojia ya kompyuta aligeuka kujitolea kwa uchambuzi wa kufikiri. Huu ulikuwa ni uchunguzi wa kwanza mzito wa ubongo wa mwanadamu kutoka kwa mtazamo wa mwanahisabati na mwanasayansi wa kompyuta. Kabla ya von Neumann, teknolojia ya kompyuta na sayansi ya neva vilikuwa visiwa viwili tofauti bila daraja kati yao.

Von Neumann anaanza hadithi kwa kuelezea kufanana na tofauti kati ya kompyuta na ubongo wa mwanadamu. Kwa kuzingatia enzi ambayo kazi hii iliundwa, inaonekana kuwa sahihi ya kushangaza. Mwanasayansi anabainisha kuwa ishara ya pato la neuroni ni ya dijiti - axon inasisimka au inabaki kupumzika. Wakati huo ilikuwa mbali na dhahiri kwamba ishara ya pato inaweza kusindika analog. Usindikaji wa mawimbi katika dendrites inayoongoza kwa niuroni na katika mwili wa niuroni ni analogi, na von Neumann alielezea hali hii kwa kutumia jumla ya mizani ya mawimbi ya pembejeo yenye thamani ya kizingiti.

Mtindo huu wa utendakazi wa nyuro ulisababisha ukuzaji wa uhusiano na matumizi ya kanuni hii kwa uundaji wa muundo wa vifaa na programu za kompyuta. (Kama nilivyoeleza katika sura iliyotangulia, mfumo wa kwanza kama huu, mpango wa IBM 704, uliundwa na Frank Rosenblatt wa Chuo Kikuu cha Cornell mwaka wa 1957, mara tu baada ya muswada wa mihadhara ya von Neumann kupatikana.) Sasa tuna mifano tata zaidi inayoelezea michanganyiko. ya pembejeo za neuronal, lakini wazo la jumla la usindikaji wa ishara ya analog kwa kubadilisha mkusanyiko wa neurotransmitters bado ni halali.

Kulingana na dhana ya ulimwengu wa kompyuta ya kompyuta, von Neumann alifikia hitimisho kwamba hata kwa tofauti inayoonekana kuwa kubwa katika usanifu na vitengo vya miundo ya ubongo na kompyuta, kwa kutumia mashine ya von Neumann tunaweza kuiga michakato inayotokea katika ubongo. Wazo la mazungumzo, hata hivyo, sio halali, kwani ubongo sio mashine ya von Neumann na haina programu iliyohifadhiwa (ingawa kichwani tunaweza kuiga utendakazi wa mashine rahisi sana ya Turing). Algorithms au njia za utendaji wa ubongo zimedhamiriwa na muundo wake. Von Neumann alihitimisha kwa usahihi kwamba niuroni zinaweza kujifunza ruwaza zinazofaa kulingana na mawimbi ya uingizaji. Hata hivyo, katika wakati wa von Neumann haikujulikana kuwa kujifunza pia hutokea kupitia uumbaji na uharibifu wa uhusiano kati ya neurons.

Von Neumann pia alisema kwamba kasi ya usindikaji wa habari na neurons ni ya chini sana - kwa utaratibu wa mamia ya hesabu kwa sekunde, lakini ubongo hulipa fidia kwa hili kwa wakati huo huo usindikaji habari katika neurons nyingi. Huu ni ugunduzi mwingine wa dhahiri lakini muhimu sana. Von Neumann alisema kuwa neurons zote 10 10 kwenye ubongo (kadirio hili pia ni sahihi kabisa: kulingana na mawazo ya leo, ubongo una kutoka 10 10 hadi 10 11 neurons) ishara za mchakato kwa wakati mmoja. Zaidi ya hayo, mawasiliano yote (kwa wastani kutoka 10 3 hadi 10 4 kwa neuroni) huhesabiwa wakati huo huo.

Kwa kuzingatia hali ya awali ya sayansi ya neva wakati huo, makadirio ya von Neumann na maelezo ya utendakazi wa nyuro ni sahihi ajabu. Hata hivyo, siwezi kukubaliana na kipengele kimoja cha kazi yake, yaani, wazo la uwezo wa kumbukumbu wa ubongo. Aliamini kwamba ubongo unakumbuka kila ishara kwa maisha. Von Neumann alikadiria wastani wa maisha ya binadamu kuwa miaka 60, ambayo ni takriban sekunde 2 x 10 9. Ikiwa kila neuroni inapokea takriban ishara 14 kwa sekunde (ambayo kwa kweli ni maagizo matatu ya ukubwa chini ya thamani halisi), na kuna niuroni 10 10 kwa jumla kwenye ubongo, inabadilika kuwa uwezo wa kumbukumbu wa ubongo ni karibu biti 10 20. Kama nilivyoandika hapo juu, tunakumbuka sehemu ndogo tu ya mawazo na uzoefu wetu, lakini hata kumbukumbu hizi hazihifadhiwa kama habari kidogo-kidogo. kiwango cha chini utata (kama ilivyo kwenye video), lakini kama mfuatano wa picha za hali ya juu.

Kama von Neumann anavyoelezea kila utaratibu katika utendakazi wa ubongo, wakati huo huo anaonyesha jinsi kompyuta ya kisasa inaweza kufanya kazi sawa, licha ya tofauti inayoonekana kati ya ubongo na kompyuta. Mifumo ya analog ya ubongo inaweza kutengenezwa kwa kutumia mifumo ya dijiti, kwani kompyuta ya dijiti inaweza kuiga maadili ya analog na kiwango chochote cha usahihi (na usahihi wa habari ya analog kwenye ubongo ni chini kabisa). Inawezekana pia kuiga usawa mkubwa wa utendakazi wa ubongo, kwa kuzingatia ubora mkubwa wa kompyuta katika kasi ya hesabu ya serial (ubora huu umekuwa na nguvu zaidi tangu von Neumann). Kwa kuongeza, tunaweza kutekeleza usindikaji sambamba ishara kwenye kompyuta kwa kutumia mashine sambamba za von Neumann - hivi ndivyo kompyuta kuu za kisasa zinavyofanya kazi.

Kwa kuzingatia uwezo wa wanadamu wa kufanya maamuzi ya haraka kwa kasi hiyo ya chini ya neva, von Neumann alihitimisha kuwa kazi za ubongo haziwezi kuhusisha algoriti ndefu na zinazofuatana. Wakati baseman wa tatu anapokea mpira na kuamua kuutupa kwa msingi badala ya msingi wa pili, yeye hufanya uamuzi huu kwa sehemu ya sekunde - wakati ambapo kila neuroni ina wakati wa kukamilisha mizunguko kadhaa ya msisimko. Von Neumann anafikia hitimisho la kimantiki kwamba uwezo wa ajabu wa ubongo unatokana na ukweli kwamba niuroni bilioni 100 zinaweza kuchakata taarifa kwa wakati mmoja. Kama nilivyoona hapo juu, gamba la kuona hufanya makisio changamano katika mizunguko mitatu au minne tu ya kurusha niuroni.

Ni plastiki muhimu ya ubongo ambayo inaruhusu sisi kujifunza. Hata hivyo, kompyuta ina plastiki kubwa zaidi - mbinu zake zinaweza kubadilishwa kabisa kwa kubadilisha programu. Hivyo, kompyuta inaweza kuiga ubongo, lakini kinyume chake si kweli.

Wakati von Neumann alipolinganisha uwezo wa ubongo sawia na kompyuta chache za wakati huo, ilionekana wazi kwamba ubongo ulikuwa na kumbukumbu na kasi kubwa zaidi. Leo, kompyuta kuu ya kwanza tayari imejengwa, kulingana na makadirio ya kihafidhina, kukidhi mahitaji ya kazi yanayohitajika kuiga kazi za ubongo wa mwanadamu (kuhusu shughuli 10 16 kwa sekunde). (Kwa maoni yangu, kompyuta za nguvu hii zitagharimu karibu $1,000 mwanzoni mwa miaka ya 2020.) Kwa upande wa uwezo wa kumbukumbu, tumesonga mbele zaidi. Kazi ya Von Neumann ilionekana mwanzoni mwa enzi ya kompyuta, lakini mwanasayansi huyo alikuwa na hakika kwamba wakati fulani tutaweza kuunda kompyuta na programu za kompyuta ambazo zinaweza kuiga ubongo wa mwanadamu; ndio maana alitayarisha mihadhara yake.

Von Neumann alikuwa amesadikishwa sana kuhusu kuharakishwa kwa maendeleo na athari zake kubwa katika maisha ya watu katika siku zijazo. Mwaka mmoja baada ya kifo cha von Neumann, mwaka wa 1957, mwanahisabati mwenzake Stan Ulam alimnukuu von Neumann akisema mwanzoni mwa miaka ya 1950 kwamba “kila kasi ya maendeleo ya kiteknolojia na mabadiliko katika maisha ya watu inatoa hisia kwamba umoja fulani mkubwa katika historia unakaribia. "jamii ya wanadamu ambayo zaidi ya shughuli za wanadamu kama tunavyoijua leo haiwezi tena kuendelea." Haya ni matumizi ya kwanza yanayojulikana ya neno "umoja" kuelezea maendeleo ya kiteknolojia ya binadamu.

Ufahamu muhimu zaidi wa Von Neumann ulikuwa kufanana kati ya kompyuta na ubongo. Kumbuka kwamba sehemu ya akili ya mwanadamu ni akili ya kihisia. Ikiwa nadhani ya von Neumann ni sahihi na ikiwa tunakubaliana na taarifa yangu kwamba mfumo usio wa kibaiolojia ambao unazalisha kwa kuridhisha akili (hisia na nyingine) ya mtu aliye hai ina fahamu (tazama sura inayofuata), tutalazimika kuhitimisha kwamba kati ya kompyuta (na programu sahihi) Na Fahamu Kuna kufanana kwa wazi katika kufikiri. Kwa hivyo, von Neumann alikuwa sawa?

Kompyuta nyingi za kisasa ni mashine za kidijitali kabisa, ilhali ubongo wa mwanadamu hutumia mbinu za kidijitali na analogi. Walakini, njia za analogi zinaweza kutolewa tena kwa urahisi kidijitali na kiwango chochote cha usahihi. Mwanasayansi wa kompyuta wa Marekani Carver Mead (b. 1934) alionyesha kwamba mbinu za analogi za ubongo zinaweza kuzalishwa moja kwa moja katika silicon, na kutekelezwa hili kwa njia ya kinachojulikana kama chips neuromorphic. Mead alionyesha kuwa mbinu hii inaweza kuwa na ufanisi zaidi ya maelfu ya mara kuliko kuiga mbinu za analogi kidijitali. Kama tunazungumzia kuhusu usimbaji algorithms zisizo na maana za neocortical, inaweza kuwa na maana kutumia wazo la Mead. Timu ya utafiti ya IBM inayoongozwa na Dharmendra Modhi inatumia chip zinazoiga nyuroni na miunganisho yake, ikijumuisha uwezo wao wa kuunda miunganisho mipya. Moja ya chipsi, inayoitwa SyNAPSE, hurekebisha moja kwa moja niuroni 256 na takriban robo ya miunganisho ya sinepsi milioni. Lengo la mradi ni kuiga neocortex yenye niuroni bilioni 10 na miunganisho trilioni 100 (sawa na ubongo wa binadamu), kwa kutumia kilowati moja tu ya nishati.

Zaidi ya miaka hamsini iliyopita, von Neumann aligundua kuwa michakato katika ubongo hufanyika polepole sana, lakini ina sifa ya usawa mkubwa. Saketi za kisasa za kidijitali hufanya kazi angalau mara milioni 10 kwa kasi zaidi kuliko swichi za kielektroniki za ubongo. Kinyume chake, moduli zote milioni 300 za utambuzi wa gamba la ubongo hufanya kazi kwa wakati mmoja, na migusano ya quadrillion kati ya niuroni inaweza kuamilishwa kwa wakati mmoja. Kwa hiyo, ili kuunda kompyuta ambazo zinaweza kuiga ubongo wa binadamu kwa kutosha, kumbukumbu ya kutosha na utendaji wa kompyuta unahitajika. Hakuna haja ya kunakili moja kwa moja usanifu wa ubongo - hii ni njia isiyofaa sana na isiyobadilika.

Je! Kompyuta zinazolingana zinapaswa kuwaje? Nyingi miradi ya utafiti inayolenga kuiga ujifunzaji wa daraja na utambuzi wa muundo unaotokea kwenye neocortex. Mimi mwenyewe ninafanya utafiti kama huo kwa kutumia mifano iliyofichwa ya Markov. Ninakadiria kuwa kuiga mzunguko mmoja wa utambuzi katika moduli moja ya utambuzi wa neocortex ya kibaolojia kunahitaji takriban hesabu 3000. Uigaji mwingi hujengwa kwa idadi ndogo sana ya hesabu. Ikiwa tunadhania kwamba ubongo hufanya takriban mizunguko 10 2 (100) ya utambuzi kwa sekunde, tunapata jumla ya idadi ya hesabu 3 x 10 5 (300 elfu) kwa sekunde kwa moduli moja ya utambuzi. Ikiwa tunazidisha nambari hii kwa jumla ya idadi ya moduli za utambuzi (3 x 10 8 (milioni 300, kulingana na makadirio yangu)), tunapata mahesabu 10 14 (trilioni 100) kwa sekunde. Ninatoa takriban maana sawa katika kitabu “Upwekeshaji U Karibu.” Ninatabiri kwamba uigaji wa kazi wa ubongo unahitaji kasi ya hesabu 10 14 hadi 10 16 kwa sekunde. Makadirio ya Hans Moravec, kulingana na uwasilishaji wa data kwa usindikaji wa awali wa kuona katika ubongo wote, ni hesabu 10 14 kwa sekunde, ambayo ni sawa na hesabu zangu.

Kawaida magari ya kisasa inaweza kufanya kazi kwa kasi ya hadi mahesabu 10 10 kwa sekunde, lakini kwa msaada wa rasilimali za wingu tija yao inaweza kuongezeka kwa kiasi kikubwa. Kompyuta kuu yenye kasi zaidi, kompyuta ya Kijapani K, tayari imefikia kasi ya hesabu 10 16 kwa sekunde. Kwa kuzingatia upungufu mkubwa wa algorithms ya neocortical, matokeo mazuri inaweza kupatikana kwa kutumia chips neuromorphic, kama katika teknolojia ya SvNAPSE.

Kwa upande wa mahitaji ya kumbukumbu, tunahitaji takriban biti 30 (takriban baiti 4) kwa kila pini iliyo na moduli za utambuzi milioni 300. Ikiwa wastani wa ishara nane zinafaa kwa kila moduli ya utambuzi, tunapata baiti 32 kwa kila moduli ya utambuzi. Ikiwa tunazingatia kwamba uzito wa kila ishara ya pembejeo ni byte moja, tunapata byte 40. Ongeza baiti 32 kwa anwani za chini na tunapata baiti 72. Ninaona kuwa uwepo wa matawi ya kupanda na kushuka husababisha ukweli kwamba idadi ya ishara ni zaidi ya nane, hata ikiwa tunazingatia kwamba moduli nyingi za utambuzi hutumia mfumo wa kawaida wa matawi ya uhusiano. Kwa mfano, kutambua herufi "p" kunaweza kuhusisha mamia ya moduli za utambuzi. Hii ina maana kwamba maelfu ya moduli za utambuzi wa ngazi inayofuata zinahusika katika kutambua maneno na vifungu vyenye herufi "p". Walakini, kila moduli inayohusika na kutambua "p" hairudii mti huu wa miunganisho ambayo hulisha viwango vyote vya utambuzi wa maneno na vifungu vya "p"; moduli hizi zote zina mti wa kawaida wa viunganisho.

Yaliyo hapo juu pia ni kweli kwa mawimbi ya mkondo wa chini: moduli inayohusika na kutambua neno apple itaambia moduli elfu zote za mkondo wa chini zinazohusika na kutambua "e" kwamba picha "e" inatarajiwa ikiwa "a", "p", "p" tayari zinatambuliwa " na "l". Mti huu wa miunganisho haurudiwi kwa kila neno au moduli ya utambuzi wa vifungu ambayo inataka kufahamisha moduli za kiwango cha chini kuwa picha "e" inatarajiwa. Mti huu ni wa kawaida. Kwa sababu hii, makadirio ya wastani ya ishara nane za mkondo wa juu na nane za chini kwa kila moduli ya utambuzi ni sawa. Lakini hata ikiwa tutaongeza thamani hii, haitabadilisha matokeo ya mwisho sana.

Kwa hivyo, kwa kuzingatia moduli 3 x 10 8 (milioni 300) za utambuzi na ka 72 za kumbukumbu kwa kila moja, tunaona kwamba saizi ya kumbukumbu inapaswa kuwa karibu 2 x 10 10 (bilioni 20) ka. Na hii ni thamani ya kawaida sana. Kompyuta za kisasa za kisasa zina aina hii ya kumbukumbu.

Tulifanya mahesabu haya yote ili kukadiria takriban vigezo. Kwa kuzingatia kwamba mizunguko ya dijiti ni karibu mara milioni 10 kuliko mitandao ya neurons kwenye gamba la kibaolojia, hatuitaji kuzaliana usawa mkubwa wa ubongo wa mwanadamu - usindikaji wa wastani sana (ikilinganishwa na matrilioni ya usawa katika ubongo) itakuwa kabisa. kutosha. Kwa hivyo, vigezo muhimu vya computational vinapatikana kabisa. Uwezo wa nyuroni za ubongo kuunganishwa tena (kumbuka kwamba dendrites hutengeneza sinepsi mpya kila mara) unaweza pia kuigwa kwa kutumia programu zinazofaa, kwa kuwa programu za kompyuta ni za plastiki zaidi kuliko mifumo ya kibaolojia, ambayo, kama tulivyoona, inavutia lakini ina mipaka.

Upungufu wa ubongo unaohitajika kupata matokeo yasiyobadilika bila shaka unaweza kutolewa tena katika toleo la kompyuta. Kanuni za hisabati za kuboresha mifumo kama hiyo ya kujipanga ya ngazi ya juu ziko wazi kabisa. Shirika la ubongo ni mbali na mojawapo. Lakini sio lazima iwe bora - lazima iwe nzuri vya kutosha kuwezesha uundaji wa zana ambazo hufidia mapungufu yake.

Kizuizi kingine cha neocortex ni kwamba haina utaratibu wa kuondoa au hata kutathmini data zinazokinzana; Hii kwa kiasi inaelezea kutokuwa na mantiki kwa kawaida kwa mawazo ya kibinadamu. Ili kutatua tatizo hili tuna uwezo dhaifu sana unaoitwa kufikiri kwa makini, lakini watu huitumia mara chache zaidi kuliko inavyopaswa. Neocortex ya kompyuta inaweza kujumuisha mchakato unaotambua data inayokinzana kwa ajili ya marekebisho yanayofuata.

Ni muhimu kutambua kwamba kubuni eneo lote la ubongo ni rahisi zaidi kuliko kubuni neuron moja. Kama ilivyosemwa tayari, zaidi ngazi ya juu safu za mfano mara nyingi hurahisishwa (kuna mlinganisho na kompyuta hapa). Kuelewa jinsi transistor inavyofanya kazi inahitaji ufahamu wa kina wa fizikia ya vifaa vya semiconductor, na kazi za transistor moja ya maisha halisi zinaelezewa na equations tata. Mzunguko wa digital, ambayo huzidisha namba mbili, ina mamia ya transistors, lakini formula moja au mbili ni ya kutosha kuunda mfano wa mzunguko huo. Kompyuta nzima, inayojumuisha mabilioni ya transistors, inaweza kutengenezwa kwa kutumia seti ya maagizo na maelezo ya rejista kwenye kurasa kadhaa za maandishi kwa kutumia fomula chache. Programu za mifumo ya uendeshaji, wakusanyaji wa lugha au wakusanyaji ni ngumu sana, lakini ni wa kuigwa programu ya kibinafsi(kwa mfano, programu za utambuzi wa lugha kulingana na miundo iliyofichwa ya daraja la Markov) pia huja kwenye kurasa chache za fomula. Na hakuna mahali popote katika programu kama hizo utapata maelezo ya kina mali ya kimwili ya semiconductors au hata usanifu wa kompyuta.

Kanuni sawa ni kweli kwa muundo wa ubongo. Moduli moja mahususi ya utambuzi wa neocortex, ambayo hutambua picha fulani zisizobadilika za kuona (kwa mfano, nyuso), hufanya uchujaji. masafa ya sauti(kwa kupunguza mawimbi ya pembejeo kwa anuwai fulani ya masafa) au kutathmini ukaribu wa muda wa matukio mawili, inaweza kuelezewa kwa maelezo machache mahususi kuliko mwingiliano halisi wa kimwili na kemikali ambao hudhibiti utendakazi wa vipitishio vya nyuro, chaneli za ioni na vipengele vingine vya nyuro. kushiriki katika uhamisho wa msukumo wa neva. Ingawa maelezo haya yote lazima izingatiwe kwa uangalifu kabla ya kubadili ngazi inayofuata utata, wakati wa kuiga kanuni za uendeshaji wa ubongo, mengi yanaweza kurahisishwa.

<<< Назад

Mbele >>>

Alexey Zenkov

Ubongo wako hauchakata habari, haurudishi maarifa, au kuhifadhi kumbukumbu. Kwa kifupi, ubongo wako sio kompyuta. Mwanasaikolojia wa Marekani Robert Epstein anaeleza kwa nini kufikiria ubongo kama mashine hakufai kwa ajili ya maendeleo ya sayansi au kuelewa asili ya mwanadamu.

Licha ya juhudi zao bora, wanasayansi wa neva na wanasaikolojia wa utambuzi hawatawahi kupata nakala ya Sifa ya Tano ya Beethoven, maneno, picha, kanuni za kisarufi au ishara zozote za nje kwenye ubongo. Bila shaka, ubongo wa binadamu si tupu kabisa. Lakini haina vitu vingi ambavyo watu wanafikiri ina - hata vitu rahisi kama "kumbukumbu".

Mawazo yetu potofu kuhusu ubongo yana mizizi ya kihistoria, lakini tumechanganyikiwa hasa na uvumbuzi wa kompyuta katika miaka ya 1940. Kwa nusu karne, wanasaikolojia, wanaisimu, wanasayansi ya neva na wataalam wengine wa tabia ya mwanadamu wamebishana kwamba ubongo wa mwanadamu hufanya kazi kama kompyuta.

Ili kupata wazo la jinsi wazo hili ni la ujinga, fikiria akili za watoto. Mtoto mchanga mwenye afya ana hisia zaidi ya kumi. Anageuza kichwa chake kuelekea mahali ambapo shavu lake linakunjwa na kunyonya kila kitu kinachoingia kinywani mwake. Anashikilia pumzi yake wakati wa kuzamishwa ndani ya maji. Anashika vitu mikononi mwake kwa nguvu sana hivi kwamba anaweza karibu kuhimili uzito wake mwenyewe. Lakini labda muhimu zaidi, watoto wachanga wana njia za kujifunza zenye nguvu zinazowaruhusu kubadilika haraka ili waweze kuingiliana kwa ufanisi zaidi na ulimwengu unaowazunguka.

Hisia, tafakari na taratibu za kujifunza ndizo tulizo nazo tangu mwanzo, na unapofikiria juu yake, hiyo ni mengi sana. Ikiwa hatungekuwa na uwezo wowote kati ya hizi, labda tungekuwa na ugumu wa kuishi.

Lakini hii ndio ambayo hatuna tangu kuzaliwa: habari, data, sheria, maarifa, msamiati, uwakilishi, algoriti, programu, mifano, kumbukumbu, picha, wasindikaji, subroutines, encoders, decoder, alama na bafa - vipengele vinavyoruhusu. kompyuta za kidijitali ishi kwa busara kwa kiasi fulani. Sio tu kwamba vitu hivi haviko ndani yetu tangu kuzaliwa, haviendelei ndani yetu wakati wa maisha.

Hatuweki maneno au sheria zinazotuambia jinsi ya kuzitumia. Hatutengenezi picha za msukumo wa kuona, hatuzihifadhi kwenye buffer kumbukumbu ya muda mfupi na kisha usihamishe picha kwenye kifaa cha kumbukumbu cha muda mrefu. Hatukumbuki habari, picha au maneno kutoka kwa rejista ya kumbukumbu. Yote hii inafanywa na kompyuta, lakini si kwa viumbe hai.

Kompyuta husindika habari - nambari, maneno, fomula, picha. Taarifa lazima kwanza itafsiriwe katika muundo ambao kompyuta inaweza kutambua, yaani, katika seti za moja na zero ("bits") zilizokusanywa kwenye vitalu vidogo ("byte").

Kompyuta huhamisha seti hizi kutoka mahali hadi mahali hadi katika maeneo mbalimbali ya kumbukumbu ya kimwili, inayotekelezwa kama vipengele vya kielektroniki. Wakati mwingine wanakili seti na wakati mwingine njia tofauti zibadilishe - sema, unaposahihisha makosa kwenye maandishi au gusa tena picha. Sheria ambazo kompyuta hufuata wakati wa kusonga, kunakili, au kufanya kazi na safu ya habari pia huhifadhiwa ndani ya kompyuta. Seti ya sheria inaitwa "programu" au "algorithm". Seti ya kanuni zinazofanya kazi pamoja tunazotumia kwa madhumuni tofauti (kwa mfano, kununua hisa au kuchumbiana mtandaoni) inaitwa "programu".

Hii ukweli unaojulikana, lakini zinahitaji kuandikwa ili kuwa wazi: kompyuta hufanya kazi kwa uwakilishi wa mfano wa ulimwengu. Wanahifadhi na kurejesha. Wanachakata kweli. Wameweza kweli kumbukumbu ya kimwili. Wao ni kweli inaendeshwa na algorithms kwa kila njia.

Walakini, watu hawafanyi kitu kama hicho. Kwa hivyo kwa nini wanasayansi wengi huzungumza juu ya shughuli zetu za kiakili kana kwamba sisi ni kompyuta?

Mnamo mwaka wa 2015, mtaalam wa akili ya bandia George Zarkadakis alitoa kitabu, Katika Picha Yetu, ambamo anaelezea dhana sita tofauti ambazo watu wametumia katika miaka elfu mbili iliyopita kuelezea akili ya mwanadamu.

Katika zaidi toleo la mapema Kulingana na Biblia, watu waliumbwa kutokana na udongo au udongo, ambao Mungu mwenye akili alijaza roho yake. Roho hii "inaelezea" akili zetu - angalau kutoka kwa mtazamo wa kisarufi.

Uvumbuzi wa hydraulics katika karne ya 3 KK ulisababisha umaarufu wa dhana ya majimaji ya ufahamu wa binadamu. Wazo lilikuwa kwamba mtiririko wa maji mbalimbali katika mwili - "maji ya mwili" - yalichangia kazi za kimwili na za kiroho. Dhana ya hydraulic iliendelea kwa zaidi ya miaka 1,600, wakati wote ikizuia maendeleo ya dawa.

Kufikia karne ya 16, vifaa vinavyoendeshwa na chemchemi na gia vilitokea, jambo ambalo lilimchochea René Descartes kubishana kwamba wanadamu utaratibu tata. Katika karne ya 17, mwanafalsafa wa Uingereza Thomas Hobbes alipendekeza kwamba kufikiri hutokea kupitia harakati ndogo za mitambo katika ubongo. Kufikia mwanzoni mwa karne ya 18, uvumbuzi katika uwanja wa umeme na kemia ulisababisha kuibuka kwa nadharia mpya ya fikra za mwanadamu, tena ya asili ya sitiari zaidi. Katikati ya karne ya 19, mwanafizikia Mjerumani Hermann von Helmholtz, akichochewa na maendeleo ya hivi majuzi katika mawasiliano, alilinganisha ubongo na telegrafu.

Albrecht von Haller. Aikoni za anatomia

Mtaalamu wa hisabati John von Neumann alisema kwamba kazi ya mfumo wa neva wa binadamu ni "digital kwa kukosekana kwa ushahidi wa kinyume chake", kuchora uwiano kati ya vipengele vya mashine za kompyuta za wakati huo na maeneo ya ubongo wa binadamu.

Kila dhana inaonyesha mawazo ya juu zaidi ya enzi ambayo yaliizaa. Kama mtu anavyoweza kutarajia, miaka michache tu baada ya kuzaliwa kwa teknolojia ya kompyuta katika miaka ya 1940, ilitolewa hoja kwamba ubongo ulifanya kazi kama kompyuta: ubongo wenyewe ulicheza jukumu la carrier wa kimwili, na mawazo yetu yalifanya kama programu.

Mtazamo huo ulifikia kilele chake katika kitabu cha 1958 The Computer and the Brain, ambamo mwanahisabati John von Neumann alisema kwa mkazo kwamba utendaji wa mfumo wa neva wa binadamu ni “wa kidijitali bila uthibitisho wa kinyume chake.” Ingawa alikiri kwamba ni machache sana yanayojulikana kuhusu fungu la ubongo katika utendaji kazi wa akili na kumbukumbu, mwanasayansi huyo alichora ulinganifu kati ya vipengele vya mashine za kompyuta za wakati huo na maeneo ya ubongo wa binadamu.

Picha: Shutterstock

Shukrani kwa maendeleo yaliyofuata katika teknolojia ya kompyuta na utafiti wa ubongo, utafiti kabambe wa taaluma mbalimbali wa ufahamu wa binadamu uliendelezwa hatua kwa hatua, kulingana na wazo kwamba watu, kama kompyuta, ni wasindikaji wa habari. Kazi hii sasa inajumuisha maelfu ya masomo, inapokea ufadhili wa mabilioni ya dola, na imekuwa mada ya karatasi nyingi. Kitabu cha Ray Kurzweil cha 2013 cha Kutengeneza Akili: Kufunua Fumbo la Kufikiri kwa Binadamu kinaonyesha jambo hili, kuelezea "algorithms" ya ubongo, mbinu zake za "usindikaji wa habari", na hata jinsi inavyofanana kwa juu juu saketi zilizounganishwa katika muundo wake.

Wazo la kufikiria kwa mwanadamu kama kifaa cha kuchakata habari (IP) kwa sasa linatawala katika ufahamu wa mwanadamu kati ya zote mbili watu wa kawaida, na miongoni mwa wanasayansi. Lakini hii, mwishowe, ni sitiari nyingine tu, hadithi ya uwongo ambayo tunaipitisha kama ukweli ili kuelezea kitu ambacho hatuelewi kabisa.

Mantiki isiyo kamili ya dhana ya AU ni rahisi sana kuunda. Inatokana na sillogism potofu yenye mawazo mawili yanayofaa na hitimisho lisilo sahihi. Dhana Yanayofaa #1: Kompyuta zote zina uwezo wa tabia ya akili. Dhana Yanayofaa #2: Kompyuta zote ni vichakataji habari. Hitimisho lisilo sahihi: vitu vyote vinavyoweza kutenda kwa akili ni wasindikaji wa habari.

Ikiwa tutasahau kuhusu taratibu, basi wazo la kwamba watu wanapaswa kuwa wasindikaji wa habari kwa sababu tu kompyuta ni kama hiyo ni upuuzi kamili, na wakati dhana ya AI hatimaye imeachwa, wanahistoria labda wataitazama kutoka kwa mtazamo sawa na sasa Kwetu. dhana ya hydraulic na mitambo inaonekana kama upuuzi.

Fanya jaribio: chora muswada wa ruble mia kutoka kwa kumbukumbu, kisha uitoe kwenye mkoba wako na uinakili. Je, unaona tofauti?

Mchoro uliofanywa kwa kutokuwepo kwa asili hakika utageuka kuwa mbaya kwa kulinganisha na mchoro uliofanywa kutoka kwa maisha. Ingawa, kwa kweli, umeona muswada huu zaidi ya mara elfu moja.

Shida ni nini? Je, "picha" ya noti haipaswi "kuhifadhiwa" kwenye "rejista ya hifadhi" ya ubongo wetu? Kwa nini hatuwezi "kurejelea" tu "picha" hii na kuionyesha kwenye karatasi?

Ni wazi sivyo, na maelfu ya miaka ya utafiti hautaturuhusu kuamua eneo la picha ya muswada huu katika ubongo wa mwanadamu kwa sababu tu haipo.

Wazo, lililokuzwa na wanasayansi fulani, kwamba kumbukumbu za mtu binafsi kwa namna fulani zimehifadhiwa katika neurons maalum ni upuuzi. Miongoni mwa mambo mengine, nadharia hii inachukua swali la muundo wa kumbukumbu kwa kiwango kisichoweza kushindwa zaidi: jinsi gani na wapi kumbukumbu huhifadhiwa kwenye seli?

Wazo lenyewe kwamba kumbukumbu huhifadhiwa kwenye neurons ya mtu binafsi ni upuuzi: jinsi gani na wapi habari inaweza kuhifadhiwa kwenye seli?

Hatutawahi kuwa na wasiwasi juu ya akili ya mwanadamu inayoendesha amok katika anga ya mtandao, na hatutaweza kamwe kufikia kutokufa kwa kupakua roho zetu kwa njia nyingine.

Moja ya utabiri, ambao ulionyeshwa kwa namna moja au nyingine na mtaalam wa baadaye Ray Kurzweil, mwanafizikia Stephen Hawking na wengine wengi, ni kwamba ikiwa ufahamu wa mwanadamu ni kama mpango, basi teknolojia inapaswa kuonekana hivi karibuni ambayo itairuhusu kupakiwa kwenye kompyuta. , na hivyo kuimarisha sana uwezo wa kiakili na kufanya kutoweza kufa kuwezekana. Wazo hili liliunda msingi wa njama ya filamu ya dystopian Transcendence (2014), ambayo Johnny Depp alicheza mwanasayansi sawa na Kurzweil. Alipakia akili yake kwenye Mtandao, na kusababisha matokeo mabaya kwa ubinadamu.

Bado kutoka kwa filamu "Supremacy"

Kwa bahati nzuri, dhana ya OI haina chochote hata karibu na ukweli, kwa hivyo hatupaswi kuwa na wasiwasi kuhusu akili ya mwanadamu inayoendesha amok katika anga ya mtandao, na cha kusikitisha, hatutaweza kufikia kutokufa kwa kupakua roho zetu kwa njia nyingine. Sio tu ukosefu wa programu katika ubongo, tatizo ni la kina zaidi - hebu tuite tatizo la pekee, na linavutia na linasikitisha.

Kwa kuwa ubongo wetu hauna "vifaa vya kumbukumbu" wala "picha" za vichocheo vya nje, na ubongo hubadilika wakati wa maisha chini ya ushawishi wa hali ya nje, hakuna sababu ya kuamini kwamba watu wawili duniani wataitikia. kichocheo sawa kwa njia ile ile. Ikiwa wewe na mimi tutahudhuria tamasha moja, mabadiliko yanayotokea katika ubongo wako baada ya kusikiliza yatakuwa tofauti na mabadiliko yanayotokea katika ubongo wangu. Mabadiliko haya hutegemea muundo wa kipekee wa seli za ujasiri, ambazo ziliundwa wakati wa maisha yote ya awali.

Hii ndiyo sababu, kama Frederick Bartlett aliandika katika kitabu chake cha Kumbukumbu cha 1932, watu wawili wanaosikia hadithi moja hawataweza kuisimulia kwa njia ile ile, na baada ya muda matoleo yao ya hadithi yatapungua na kupungua kufanana kwa kila mmoja.

"Ubora"

Nadhani hii ni msukumo sana kwa sababu ina maana kwamba kila mmoja wetu ni wa kipekee kweli, si tu katika jeni zetu, lakini pia kwa njia ambayo akili zetu hubadilika baada ya muda. Lakini pia inakatisha tamaa, kwa sababu inafanya kazi ambayo tayari ni ngumu ya wanasayansi wa neva karibu isiwezekane kusuluhishwa. Kila badiliko linaweza kuathiri maelfu, mamilioni ya niuroni au ubongo mzima, na asili ya mabadiliko haya pia ni ya kipekee katika kila hali.

Mbaya zaidi, hata kama tunaweza kurekodi hali ya kila moja ya neurons bilioni 86 za ubongo na kuiga yote kwenye kompyuta, muundo huu mkubwa haungekuwa na maana nje ya mwili ambao ubongo ni mali. Labda hii ndiyo dhana potofu inayoudhi zaidi kuhusu muundo wa binadamu, ambayo tunadaiwa na dhana potofu ya OI.

Kompyuta huhifadhi nakala halisi za data. Wanaweza kubaki bila kubadilika kwa muda mrefu hata wakati nguvu imezimwa, wakati ubongo unaunga mkono akili zetu mradi tu unaendelea kuwa hai. Hakuna kubadili. Ama ubongo utafanya kazi bila kuacha, au hatutakuwepo. Isitoshe, kama mwanasayansi wa neva Stephen Rose alivyosema katika kitabu The Future of the Brain cha 2005, nakala moja. hali ya sasa ubongo unaweza kuwa hauna maana bila ujuzi wa wasifu kamili wa mmiliki wake, hata ikiwa ni pamoja na mazingira ya kijamii ambayo mtu huyo alikulia.

Wakati huo huo, kiasi kikubwa cha fedha hutumiwa katika utafiti wa ubongo kulingana na mawazo ya uongo na ahadi ambazo hazitatimizwa. Kwa hiyo, Umoja wa Ulaya ulianzisha mradi wa kuchunguza ubongo wa binadamu wenye thamani ya dola bilioni 1.3. Mamlaka za Ulaya ziliamini ahadi zinazovutia za Henry Markram za kuunda kiigaji kinachofanya kazi cha utendakazi wa ubongo ifikapo 2023, ambacho kingebadilisha kwa kiasi kikubwa mbinu ya matibabu. ya ugonjwa wa Alzeima na maradhi mengine, na kutoa mradi kwa ufadhili wa karibu usio na kikomo. Chini ya miaka miwili baada ya mradi kuzinduliwa, iliibuka kuwa haikufaulu, na Markram aliombwa kujiuzulu.

Watu ni viumbe hai, sio kompyuta. Kubali. Tunahitaji kuendelea na kazi ngumu ya kujielewa wenyewe, lakini tusipoteze muda na mizigo ya kiakili isiyo ya lazima. Zaidi ya nusu karne ya kuwepo kwake, dhana ya AU imetupa uvumbuzi machache tu muhimu. Ni wakati wa kubofya kitufe cha Futa.

Robert Epstein ni mwanasaikolojia mkuu katika Taasisi ya Marekani ya Utafiti wa Tabia na Teknolojia huko California. Yeye ndiye mwandishi wa vitabu 15 na mhariri mkuu wa zamani wa Saikolojia Leo.

Prosthetics ambayo inadhibitiwa na nguvu ya mawazo, mawasiliano ya moja kwa moja na kompyuta bila msaada wa misuli, na katika siku zijazo - mwili wa bandia kwa mtu aliyepooza na mafunzo ya kazi za utambuzi - kufikiri, kumbukumbu na tahadhari. Yote haya ni zaidi ya uwanja wa hadithi za kisayansi. Wakati wa sayansi ya neva tayari umefika, anasema Sergei Shishkin, mgombea wa sayansi ya kibaolojia, mkuu wa idara ya teknolojia ya neurocognitive katika Kituo cha Utafiti cha Taasisi ya Kurchatov. Alizungumza kuhusu matokeo ya hivi punde ya utafiti wa ubongo katika Kituo cha Elimu cha Sirius. Lenta.ru hutoa hoja kuu za hotuba yake.

Hatua za kwanza katika terra incognita

Matokeo ya utafiti wa kimwili yana msingi wa kila kitu kinachotuzunguka. Chochote tunachoangalia - majengo, nguo, kompyuta, simu mahiri - yote haya yanaunganishwa kwa njia fulani na teknolojia kulingana na sheria za fizikia. Lakini mchango wa sayansi ya ubongo kwa maisha yetu ni mdogo sana.

Kwa nini? Hadi hivi majuzi, sayansi ya neva ilikua polepole sana. Katikati ya karne ya 19, walikuwa wanaanza tu kuelewa kwamba ubongo una seli za neva - neurons, lakini basi walikuwa vigumu sana kuona na kujitenga. Watafiti wa kisasa wamepata njia za kusoma nyuroni kwa undani zaidi na kufuatilia kazi zao - kwa mfano, wanadunga rangi za umeme ambazo huwaka wakati seli imewashwa.

Mbinu mpya hufanya iwezekanavyo kuchunguza utendaji wa ubongo wa binadamu bila uingiliaji wa upasuaji kwa kutumia teknolojia ya nyuklia ya resonance magnetic. Tunaanza kuelewa vyema muundo wa ubongo na kuunda teknolojia mpya kulingana na ujuzi huu. Mojawapo ya kuvutia zaidi ni kiolesura cha ubongo-kompyuta.

Kiolesura cha ubongo-kompyuta

Teknolojia hii hukuruhusu kudhibiti kompyuta kwa nguvu ya mawazo; kwa usahihi zaidi, inaitwa "teknolojia ya kupitisha amri kutoka kwa ubongo kwenda kwa kompyuta bila msaada wa misuli na mishipa ya pembeni" (hii ndio ufafanuzi uliopitishwa katika fasihi ya kisayansi. ) Kusudi kuu la miingiliano ya ubongo na kompyuta ni kusaidia watu wenye ulemavu, haswa wale watu ambao misuli yao au mfumo wao wa kudhibiti haufanyi kazi. Hii inaweza kusababishwa kwa sababu mbalimbali- kwa mfano, ajali ya gari wakati uti wa mgongo wa mtu umeingiliwa.

Je, mtu mwenye afya anahitaji kituo cha ziada uhusiano na kompyuta? Wanasayansi wengine wanaamini kuwa interface kama hiyo inaweza kuharakisha sana kazi na teknolojia ya kompyuta, kwa sababu mtu "hatapunguzwa" na mikono yake: - atatuma habari moja kwa moja kwenye kompyuta. Pia kuna dhana ya kweli zaidi: kwa msaada wa miingiliano hii unaweza kutoa mafunzo kwa kazi za utambuzi wa ubongo - kufikiri, kumbukumbu, tahadhari ... Mtu hawezije kukumbuka filamu "The Lawnmower Man", ambapo mhusika mkuu, kwa kutumia uhalisia pepe, "alisukuma" ubongo wake sana hivi kwamba akawa mtu mkuu.

Katika moyo wa tamaa hizi ni ndoto ya kupanua uwezo wa ubongo. Hii inaeleweka: karibu kila mara haturidhiki na fursa tulizo nazo. Ndoto ya kupanua uwezo wa ubongo inaonyesha kwa wanasayansi mwelekeo unaoonekana kuwa wa ajabu, lakini unaozidi kuongezeka wa kazi: kujaribu kuunganisha ubongo na kompyuta kwa karibu iwezekanavyo. Baada ya yote, programu za kompyuta zina shida kubwa - karibu kila kitu ndani yake kimejengwa kwa sheria kali, wakati uvumbuzi wa mtu hufanya kazi, ingawa hawezi kuhesabu chaguzi mara moja. Kwa hiyo muungano ni nini? nguvu ubongo na kompyuta itakuwa muhimu sana.

Matatizo ya vitendo

Lakini kwanza kabisa, sayansi ya neva inakabiliwa na kazi za vitendo sana. Kwa mfano, wasaidie watu walio na ugonjwa unaoitwa amyotrophic lateral sclerosis. Kuna wagonjwa wachache wenye uchunguzi huu, lakini ni ugonjwa mbaya sana. Mgonjwa anaweza kufikiri kwa kawaida kabisa na kutambua habari kutoka kwa ulimwengu wa nje, lakini hawezi kusonga au hata kusema chochote. Kwa bahati mbaya, ugonjwa huu bado hauwezi kuponywa, na wagonjwa hawawezi kuwasiliana na wengine kwa maisha yao yote.

Majaribio ya kwanza ya kuunda kiolesura cha "kompyuta ya ubongo" yalifanywa nyuma katika miaka ya 1960, lakini shauku kubwa katika teknolojia hii iliibuka tu baada ya mwanasayansi wa Ujerumani Niels Birbaumer na wenzake kuunda kinachojulikana kama "kifaa cha kuhamisha mawazo" mwishoni mwa miaka ya 1990. .na kuanza kuwafundisha wagonjwa waliopooza jinsi ya kuitumia.

Wagonjwa wengine, shukrani kwa kifaa hiki, waliweza kuwasiliana na jamaa na watafiti. Mmoja wao aliandika kwa kutumia "kifaa cha kupitisha mawazo" barua kubwa, ambamo alieleza jinsi anavyoandika herufi. Nakala hii, ambayo mgonjwa aliandika zaidi ya miezi sita, ilichapishwa katika moja ya majarida ya kisayansi.

Kufanya kazi na mfumo wa Birbaumer hauwezi kuitwa rahisi. Mgonjwa lazima kwanza achague moja ya nusu ya alfabeti iliyoonyeshwa kwenye skrini, akibadilisha uwezo wa umeme unaotoka kwa ubongo kwa mwelekeo mzuri au mbaya. Kwa hivyo, anaonekana kiakili kusema "ndiyo" au "hapana". Uwezo wa umeme umeandikwa moja kwa moja kwenye uso wa kichwa, kulishwa kwa kompyuta, na huamua ni nusu gani ya alfabeti inapaswa kuchaguliwa. Kisha mtu huenda zaidi kupitia alfabeti na kuchagua barua maalum. Hii ni mbaya na ya muda, lakini njia haihitaji implantation ya electrodes katika ubongo.

Njia za uvamizi, ambapo electrodes huingizwa moja kwa moja kwenye ubongo, zinafanikiwa zaidi. Msukumo wa maendeleo ya mwelekeo huu ulitolewa na vita vya Iraqi. Wanajeshi wengi walipata ulemavu, na wanasayansi wa Amerika walijaribu kufikiria jinsi watu kama hao wangeweza kudhibiti viungo bandia kwa kutumia kiolesura cha ubongo-kompyuta. Majaribio ya kwanza yalifanyika kwa nyani, na kisha electrodes ziliwekwa ndani ya watu waliopooza. Kama matokeo, mtu huyo aliweza kushiriki kikamilifu katika mchakato wa kusimamia mbinu ya kudhibiti prosthesis.

Mnamo 2012, timu ya Andrew Schwartz kutoka Pittsburgh ilifanikiwa kumfundisha mwanamke aliyepooza kudhibiti mkono wa mitambo kwamba aliweza kuchukua vitu mbalimbali nayo na hata kupeana mikono na mtangazaji wa kipindi maarufu cha televisheni. Kweli, sio harakati zote zilifanywa bila makosa, lakini, bila shaka, mfumo unaboreshwa.

Umewezaje kufanya hivi? Mbinu imeundwa ambayo inaruhusu mwelekeo unaotaka wa harakati kubainishwa kwenye nzi kwa kutumia mawimbi yaliyosimbwa katika niuroni. Ili kufanya hivyo, inahitajika kuingiza elektroni ndogo kwenye gamba la ubongo - huelekeza ishara kutoka kwa neurons ambazo hupitishwa kwa kompyuta.

Swali linatokea mara moja: ikiwa mtu anasonga mkono wa mitambo, inawezekana kufanya mara mbili ya mitambo - avatar ambayo itazalisha harakati zote za mtu? Mwili kama huo wa mitambo utadhibitiwa kupitia kiolesura cha ubongo-kompyuta. Kuna mawazo mengi juu ya hili, wakati mwingine wanasayansi hata huja na mipango ya kweli. Kwa sasa, wataalam wakubwa huchukulia hii kama hadithi ya kisayansi, lakini katika siku zijazo za mbali hii inawezekana.

Udhibiti wa macho

Katika maabara ya teknolojia ya utambuzi katika Taasisi ya Kurchatov, sasa wanafanya kazi sio tu kwenye interfaces za "kompyuta ya ubongo", lakini pia kwenye interfaces za "jicho-ubongo-kompyuta". Kwa kusema kweli, sio kiolesura cha ubongo-kompyuta kwa sababu hutumia misuli ya macho kufanya kazi. Kudhibiti kwa kusajili mwelekeo wa kutazama pia ni muhimu sana, kwa kuwa kuna watu wenye ulemavu wenye uharibifu wa magari ambao misuli ya macho inaendelea kufanya kazi. Tayari kuna mifumo iliyotengenezwa tayari ambayo mtu anaweza kuandika maandishi kwa macho yake.

Hata hivyo, matatizo hutokea zaidi ya kazi ya kuandika. Kwa mfano, ni vigumu kufundisha interface si kutoa amri wakati mtu anaangalia kifungo cha kudhibiti kwa sababu tu alikuwa akifikiri na akaacha kuiangalia.

Ili kutatua tatizo hili, Taasisi ya Kurchatov iliamua kuunda teknolojia ya pamoja. Washiriki katika majaribio hucheza mchezo wa kompyuta, wakifanya hatua tu kwa usaidizi wa ucheleweshaji wa macho mafupi. Wakati huu, watafiti hurekodi ishara za umeme kutoka kwa akili zao kwenye uso wa kichwa.

Ilibadilika kuwa wakati mshiriki katika jaribio anashikilia macho yake ili kufanya hatua, alama maalum huonekana katika ishara za ubongo wake ambazo hazipo wakati macho yanafanyika bila sababu. Kulingana na uchunguzi huu, interface ya "jicho-ubongo-kompyuta" imeundwa. Mtumiaji wake atahitaji tu kuangalia kifungo au kiungo kwenye skrini ya kompyuta na kutaka kubofya - mfumo utatambua tamaa hii, na kubofya kutatokea yenyewe.

Katika siku zijazo, mbinu mpya zitaonekana ambazo zitafanya iwezekanavyo kuunganisha ubongo kwenye kompyuta bila matumizi ya shughuli za hatari na za gharama kubwa sana. Sasa tunaona kuibuka kwa teknolojia hizi na hivi karibuni tutaweza kuzijaribu.

• Tafsiri

Sote tunakumbuka mazoezi chungu ya hesabu kutoka shuleni. Inachukua angalau dakika moja kuzidisha nambari kama 3,752 na 6,901 kwa kutumia penseli na karatasi. Bila shaka, leo, kwa simu zetu kwa vidole vyetu, tunaweza kuangalia haraka kwamba matokeo ya zoezi letu yanapaswa kuwa 25,892,552. simu za kisasa inaweza kufanya shughuli kama hizo zaidi ya bilioni 100 kwa sekunde. Zaidi ya hayo, chipsi hizi hutumia wati chache tu, na kuzifanya ziwe bora zaidi kuliko akili zetu polepole, ambazo hutumia wati 20 na kuchukua muda mrefu zaidi kufikia matokeo sawa.

Bila shaka, ubongo haukubadilika kufanya hesabu. Ndio maana hafanyi vizuri. Lakini inafanya kazi nzuri sana ya kuchakata mtiririko wa mara kwa mara wa habari kutoka kwa mazingira yetu. Na yeye humenyuka kwa hilo - wakati mwingine haraka kuliko tunavyoweza kutambua. Na hata kompyuta ya kawaida hutumia nishati kiasi gani, itakuwa na ugumu wa kukabiliana na mambo ambayo ni rahisi kwa ubongo, kama vile kuelewa lugha au kupanda ngazi.

Ikiwa tunaweza kuunda mashine ambazo uwezo wa kompyuta na ufanisi wa nishati ulikuwa sawa na ubongo, basi kila kitu kingebadilika sana. Roboti zinaweza kusonga kwa ustadi katika ulimwengu wa mwili na kuwasiliana nasi kupitia lugha ya asili. Mifumo mikubwa ingekusanya kiasi kikubwa cha taarifa kuhusu biashara, sayansi, dawa, au serikali, kugundua mifumo mipya, kutafuta uhusiano wa sababu-na-athari, na kufanya ubashiri. Programu mahiri za rununu kama Siri na Cortana zinaweza kutegemea wingu kidogo. Teknolojia kama hiyo inaweza kuturuhusu kuunda vifaa vyenye nguvu kidogo ambavyo huongeza hisi zetu, kutupa dawa, na kuiga ishara za neva ili kufidia uharibifu wa chombo au kupooza.

Lakini je, ni mapema sana kujiwekea malengo hayo ya ujasiri? Je, uelewa wetu wa ubongo ni mdogo sana kwetu kuweza kuunda teknolojia zinazofanya kazi kulingana na kanuni zake? Ninaamini kuwa kuiga hata vipengee rahisi zaidi vya mizunguko ya neva kunaweza kuboresha sana utendakazi wa matumizi mengi ya kibiashara. Jinsi kompyuta lazima inakili kwa usahihi maelezo ya kibayolojia ya ubongo ili kufikia kiwango cha utendaji wake bado ni swali wazi. Lakini mifumo ya leo iliyoongozwa na ubongo, au neuromorphic, itakuwa zana muhimu katika kutafuta jibu.

Kipengele muhimu cha kompyuta za kawaida ni mgawanyiko wa kimwili wa kumbukumbu, ambayo huhifadhi data na maelekezo, na mantiki ambayo inashughulikia habari hii. Hakuna mgawanyiko kama huo katika ubongo. Uhifadhi wa kompyuta na data hutokea kwa wakati mmoja na ndani ya nchi, katika mtandao mkubwa wa takriban seli bilioni 100 za neva (nyuroni) na miunganisho zaidi ya trilioni 100 (synapses). Sehemu kubwa ya ubongo hufafanuliwa na miunganisho hii na jinsi kila neuroni inavyojibu kwa uingizaji wa niuroni nyingine.

Tunapozungumza juu ya uwezo wa kipekee wa ubongo wa mwanadamu, kwa kawaida tunamaanisha kupatikana hivi karibuni kwa mchakato mrefu wa mageuzi - neocortex (cortex mpya). Safu hii nyembamba na iliyokunjwa sana huunda safu ya nje ya ubongo na hufanya kazi sana kazi mbalimbali, ikiwa ni pamoja na usindikaji wa habari kutoka kwa hisia, udhibiti wa motor, kufanya kazi na kumbukumbu na kujifunza. Uwezekano mkubwa kama huo unapatikana kwa muundo wa usawa: tabaka sita za usawa na safu wima milioni, upana wa mikroni 500, inayojumuisha niuroni zinazounganisha na kusambaza habari iliyosimbwa katika msukumo wa umeme kando ya antena zinazokua kutoka kwao - dendrites na axons.

Kama seli zote katika mwili wa mwanadamu, neuroni ina uwezo wa umeme wa takriban 70 mV kati ya uso wa nje na wa ndani. Voltage hii ya utando hubadilika neuroni inapopokea ishara kutoka kwa niuroni zingine zilizounganishwa nayo. Ikiwa voltage ya membrane inaongezeka kwa thamani muhimu, huunda pigo, au kuongezeka kwa voltage, kudumu milliseconds chache, ya utaratibu wa 40 mV. Msukumo huu husafiri kando ya akzoni ya niuroni hadi kufikia sinepsi, muundo changamano wa kibiokemia unaounganisha akzoni ya niuroni moja na dendrite ya nyingine. Iwapo msukumo huo unakidhi vizuizi fulani, sinepsi huigeuza kuwa msukumo mwingine unaosafiri chini ya dendriti ya matawi ya neuroni inayopokea ishara na kubadilisha voltage ya utando wake ama vyema au hasi.

Kuunganishwa ni kipengele muhimu cha ubongo. Niuroni ya piramidi, aina ya seli muhimu hasa katika neocortex ya binadamu, ina sinepsi 30,000, yaani, njia 30,000 za kuingiza kutoka kwa niuroni nyingine. Na ubongo hubadilika kila wakati. Sifa za neuroni na sinepsi—na hata muundo wa mtandao wenyewe—hubadilika kila mara, zikiendeshwa kwa kiasi kikubwa na pembejeo za hisia na maoni ya kimazingira.

Kompyuta za kisasa za madhumuni ya jumla ni za dijiti badala ya analogi; Ubongo sio rahisi kuainisha. Neuroni huhifadhi chaji ya umeme, kama vile vidhibiti katika saketi za kielektroniki. Hii ni wazi mchakato wa analog. Lakini ubongo hutumia milipuko kama vitengo vya habari, na hii kimsingi ni mpango wa binary: wakati wowote, mahali popote, ama kuna kupasuka au hakuna. Kwa maneno ya kielektroniki, ubongo ni mfumo wa ishara-mchanganyiko, na ukokotoaji wa analogi wa ndani na uhamishaji wa habari kwa kutumia milipuko ya binary. Kwa kuwa mlipuko una thamani 0 au 1 pekee, inaweza kusafiri umbali mrefu bila kupoteza habari hii ya msingi. Pia huzaa tena, kufikia neuroni inayofuata kwenye mtandao.

Tofauti nyingine kuu kati ya ubongo na kompyuta ni kwamba ubongo hukabiliana na usindikaji wa habari bila jenereta ya saa ya kati kusawazisha kazi yake. Ingawa tunaona matukio ya kusawazisha - mawimbi ya ubongo - yanajipanga, yanayotokea kama matokeo ya kazi ya mitandao ya neva. Kinachovutia ni kwamba kisasa mifumo ya kompyuta anza kupitisha usawaziko uliopo kwenye ubongo ili kuharakisha mahesabu kwa kuyafanya sambamba. Lakini kiwango na madhumuni ya ulinganifu wa mifumo hii miwili ni tofauti sana.

Wazo la kutumia ubongo kama kielelezo cha kompyuta lina mizizi mirefu. Majaribio ya kwanza yalitokana na neuroni ya kizingiti rahisi, ikitoa thamani moja ikiwa jumla ya data iliyopimwa inazidi kizingiti, na nyingine ikiwa haifanyi hivyo. Uhalisia wa kibayolojia wa mbinu hii, iliyobuniwa na Warren McCulloch na Walter Pitts katika miaka ya 1940, ni mdogo sana. Hata hivyo, hii ilikuwa hatua ya kwanza kuelekea kutumia dhana ya kurusha neuroni kama kipengele cha hesabu.

Mnamo 1957, Frank Rosenblatt alipendekeza lahaja nyingine ya neuron ya kizingiti, perceptron. Mtandao wa nodi zilizounganishwa (nyuroni za bandia) huundwa katika tabaka. Tabaka zinazoonekana kwenye uso wa mtandao huingiliana nazo ulimwengu wa nje kama pembejeo na matokeo, na tabaka zilizofichwa ndani hufanya mahesabu yote.

Rosenblatt pia alipendekeza kugusa kipengele cha msingi cha ubongo: kizuizi. Badala ya kuongeza pembejeo zote, neurons katika perceptron inaweza kutoa mchango hasi. Kipengele hiki huruhusu mitandao ya neva kutumia safu moja iliyofichwa kutatua matatizo ya mantiki ya XOR ambayo matokeo yake ni kweli ikiwa ni moja tu ya ingizo mbili za mfumo wa jozi. Mfano huu rahisi unaonyesha kuwa kuongeza uhalisia wa kibayolojia kunaweza kuongeza uwezo mpya wa kukokotoa. Lakini ni kazi gani za ubongo zinazohitajika kwa utendaji wake, na ni athari gani zisizo na maana za mageuzi? Hakuna anayejua.

Tunajua hiyo ya kuvutia matokeo ya hesabu inaweza kupatikana bila kujaribu kuunda uhalisia wa kibiolojia. Watafiti wa kujifunza kwa kina wametoka mbali katika kutumia kompyuta kuchanganua kiasi kikubwa cha data na kutoa vipengele maalum kutoka kwa picha changamano. Ingawa mitandao ya neural waliyounda inayo kiasi kikubwa pembejeo na tabaka zilizofichwa kuliko hapo awali, bado zinategemea sana mifano rahisi niuroni. Yao fursa nyingi si uhalisia wa kibayolojia, bali ukubwa wa mitandao iliyomo na uwezo wa kompyuta zinazotumika kuwafunza. Lakini mitandao ya kujifunza kwa kina bado iko mbali na kulinganisha kasi ya hesabu, ufanisi wa nishati, na uwezo wa kujifunza wa ubongo wa kibayolojia.

Pengo kubwa kati ya ubongo na kompyuta za kisasa Uigaji wa ubongo kwa kiwango kikubwa huangazia hili bora zaidi. Nyuma miaka iliyopita Majaribio kadhaa kama haya yamefanywa, lakini yote yalipunguzwa kwa sababu mbili: nishati na wakati wa kuiga. Kwa mfano, fikiria uigaji uliofanywa na Marcus Deisman na wenzake miaka kadhaa iliyopita kwa kutumia vichakataji 83,000 kwenye kompyuta kuu ya K nchini Japani. Uigaji wa neuroni bilioni 1.73 ulitumia nishati mara bilioni 10 zaidi ya sehemu sawa ya ubongo, ingawa walitumia miundo iliyorahisishwa sana na hawakufanya mafunzo yoyote. Na uigaji kama huu kwa kawaida ulikwenda polepole zaidi ya mara 1,000 kuliko wakati halisi wa ubongo wa kibaolojia.

Kwa nini wanakuwa polepole sana? Uigaji wa ubongo kwenye kompyuta za kawaida unahitaji mabilioni ya hesabu milinganyo tofauti, iliyounganishwa, na kuelezea mienendo ya seli na mitandao: michakato ya analogi kama vile kusogea kwa chaji kwenye utando wa seli. Kompyuta zinazotumia mantiki ya Boolean—nishati ya biashara kwa usahihi—na kumbukumbu tofauti na ukokotoaji hazifai sana katika kuiga ubongo.

Uigaji huu unaweza kuwa zana za kuelewa ubongo, kuhamisha data iliyopatikana kwenye maabara hadi kwa miigo ambayo tunaweza kuifanyia majaribio na kisha kulinganisha matokeo na uchunguzi. Lakini ikiwa tunatumai kwenda katika mwelekeo tofauti na kutumia masomo ya sayansi ya neva kuunda mifumo mipya ya kompyuta, tunahitaji kufikiria upya jinsi tunavyobuni na kuunda kompyuta.

Neurons katika silicon.

Kunakili ubongo kwa kutumia vifaa vya elektroniki kunaweza kuwezekana zaidi kuliko inavyoonekana mwanzoni. Inabadilika kuwa takriban 10 fJ (10 -15 joules) hutumiwa kuunda uwezo wa umeme katika sinepsi. Lango la transistor ya metal-oxide-semiconductor (MOS), ambayo ni kubwa zaidi na hutumia nguvu zaidi kuliko zile zinazotumiwa katika CPU, inahitaji fJ 0.5 pekee ili kuchaji. Inabadilika kuwa maambukizi ya synaptic ni sawa na malipo ya transistors 20. Aidha, katika ngazi ya kifaa, kibaiolojia na nyaya za elektroniki sio tofauti sana. Kimsingi, inawezekana kuunda miundo kama sinepsi na niuroni kutoka kwa transistors, na kuziunganisha pamoja ili kuunda ubongo wa bandia ambao haunyonyi viwango hivyo vya kutisha vya nishati.

Wazo la kuunda kompyuta kwa kutumia transistors zinazofanya kazi kama niuroni lilionekana katika miaka ya 1980 kutoka kwa Profesa Carver Mead wa Caltech. Moja ya hoja kuu za Mead katika kupendelea kompyuta za "neuromorphic" ilikuwa hiyo vifaa vya semiconductor inaweza, kufanya kazi ndani hali fulani, kufuata sheria za kimwili sawa na nyuroni, na tabia hiyo ya analogi inaweza kutumika kwa hesabu kwa ufanisi mkubwa wa nishati.

Kikundi cha Mead pia kilivumbua jukwaa la mawasiliano ya neva ambapo milipuko husimbwa tu na anwani zao za mtandao na wakati zinatokea. Kazi hii ilikuwa ya msingi kwa sababu ilikuwa ya kwanza kufanya wakati kuwa kipengele muhimu cha mitandao ya neva bandia. Muda ni jambo kuu kwa ubongo. Ishara zinahitaji muda wa kueneza, utando unahitaji muda wa kuitikia, na ni wakati ambao huamua umbo la uwezo wa postsynaptic.

Vikundi kadhaa vya utafiti vinavyofanya kazi leo, kama vile vya Giacomo Indiveri katika ETH na Kwabena Boahen huko Stanford, vimefuata nyayo za Mead na kujumuisha vipengele vya mitandao ya gamba ya kibayolojia. Ujanja ni kuendesha transistors kwa kutumia sasa. voltage ya chini, si kufikia thamani yao ya kizingiti, kuunda mizunguko ya analog, kuiga tabia ya mfumo wa neva, na wakati huo huo hutumia nishati kidogo.

Utafiti zaidi katika mwelekeo huu unaweza kupata matumizi katika mifumo kama vile miingiliano ya ubongo na kompyuta. Lakini kuna pengo kubwa kati ya mifumo hii na ukubwa halisi wa mtandao, muunganisho na uwezo wa kujifunza wa ubongo wa wanyama.

Kwa hivyo karibu 2005, vikundi vitatu vya watafiti kwa kujitegemea vilianza kuunda mifumo ya neuromorphic ambayo ilikuwa tofauti sana na mbinu ya asili ya Mead. Walitaka kuunda mifumo mikubwa yenye mamilioni ya niuroni.

Mradi wa karibu zaidi kwa kompyuta za kawaida ni SpiNNaker, inayoongozwa na Steve Furber wa Chuo Kikuu cha Manchester. Kikundi hiki kilitengeneza chipu yake ya dijiti inayojumuisha 18 Wasindikaji wa ARM, inayofanya kazi kwa 200 MHz - karibu moja ya kumi ya kasi ya CPU za kisasa. Ingawa cores za ARM zilitoka ulimwenguni kompyuta za classic, huiga milipuko inayotumwa kupitia vipanga njia maalum vilivyoundwa ili kusambaza habari kwa njia isiyosawazisha - kama vile ubongo. Utekelezaji wa sasa, sehemu ya Mradi wa Ubongo wa Binadamu wa EU na uliokamilika mwaka wa 2016, una viini 500,000 vya ARM. Kulingana na ugumu wa muundo wa niuroni, kila msingi unaweza kuiga hadi neuroni 1000.

Chip ya TrueNorth, iliyotengenezwa na Dharmendra Moda na wenzake katika Maabara ya Utafiti ya IBM Almaden, inaepuka matumizi ya vichakataji vidogo kama vitengo vya kompyuta na kwa kweli ni mfumo wa neuromorphic ambamo hesabu na kumbukumbu zimeunganishwa. TrueNorth bado inabaki mfumo wa kidijitali, lakini inategemea mizunguko ya neural iliyoundwa mahsusi ambayo hutekelezwa mfano fulani neuroni. Chip ina transistors bilioni 5.4 na imejengwa kwa 28 nm Teknolojia ya Samsung CMOS (msaada wa chuma-oksidi-semiconductor) muundo. Transistors huiga saketi milioni 1 za neva na sinepsi milioni 256 rahisi (bit-moja) kwenye chip moja.

Ningesema kwamba mradi uliofuata, BrainScaleS, ulihamia mbali kabisa na kompyuta za kawaida na ukakaribia ubongo wa kibiolojia. Wenzangu na mimi kutoka Chuo Kikuu cha Heidelberg tulifanya kazi katika mradi huu wa Mpango wa Ubongo wa Binadamu wa Ulaya. BrainScaleS hutumia usindikaji wa mawimbi mchanganyiko. Inachanganya niuroni na sinepsi, ambazo ni transistors za silicon zinazofanya kazi kama vifaa vya analogi na ubadilishanaji wa taarifa za kidijitali. Mfumo wa ukubwa kamili una kaki za silicon za inchi 8 na unaweza kuiga neuroni milioni 4 na sinepsi bilioni 1.

Mfumo huo unaweza kuzalisha aina tisa tofauti za kurusha niuroni za kibayolojia, na ulianzishwa kwa ushirikiano wa karibu na wanasayansi wa neva. Tofauti na mbinu ya analogi ya Mead, BrainScaleS inafanya kazi ndani hali ya kasi, uigaji wake ni haraka mara 10,000 kuliko wakati halisi. Hii ni muhimu hasa kwa kusoma kujifunza na maendeleo.

Kujifunza kunaweza kuwa sehemu muhimu ya mifumo ya neuromorphic. Sasa chipsi zilizotengenezwa kwa picha ya ubongo, na vile vile mitandao ya neva inayoendesha kwenye kompyuta za kawaida, inafunzwa upande kwa kutumia zaidi. kompyuta zenye nguvu. Lakini ikiwa tunataka kutumia mifumo ya neuromorphic katika matumizi halisi - sema, katika roboti ambazo zitalazimika kufanya kazi bega kwa bega nasi, zitahitaji kuwa na uwezo wa kujifunza na kuzoea kuruka.

Katika kizazi cha pili cha mfumo wetu wa BrainScaleS, tulitekeleza uwezo wa kujifunza kwa kuunda "injini za kubadilika" kwenye chip. Zinatumika kubadilisha anuwai ya vigezo vya neurons na sinepsi. Uwezo huu huturuhusu kurekebisha vyema vigezo ili kufidia tofauti za ukubwa na sifa za umeme tunaposogea kutoka kifaa kimoja hadi kingine, kama vile ubongo wenyewe unavyojirekebisha ili kubadilika.

Mifumo mitatu mikubwa niliyoelezea inakamilishana. SpiNNaker inaweza kusanidiwa kwa urahisi na kutumika kujaribu miundo tofauti ya neva, TrueNorth ina msongamano wa juu wa ujumuishaji, BrainScaleS imeundwa kwa ajili ya kujifunza na maendeleo endelevu. Tafuta njia sahihi Tathmini ya ufanisi wa mifumo hiyo bado inaendelea. Lakini matokeo ya mapema pia yanaahidi. Kikundi cha TrueNorth cha IBM hivi majuzi kilikadiria kuwa upitishaji wa sinepsi katika mfumo wao hutumia 26 pJ. Ingawa hii ni mara 1,000 ya nishati inayohitajika katika mfumo wa kibaolojia, ni karibu mara 100,000 chini ya nishati inayoingia katika uigaji kwenye kompyuta za madhumuni ya jumla.

Bado tuko katika hatua za awali za kuelewa ni nini mifumo kama hii inaweza kufanya na jinsi ya kuitumia kwa matatizo ya ulimwengu halisi. Wakati huo huo, lazima tutafute njia za kuchanganya chip nyingi za neuromorphic kwenye mitandao mikubwa yenye uwezo wa kujifunza ulioboreshwa huku tukipunguza matumizi ya nishati. Tatizo moja ni kuunganishwa: ubongo ni tatu-dimensional, lakini nyaya zetu ni mbili-dimensional. Suala la ushirikiano wa mzunguko wa pande tatu sasa linasomwa kikamilifu, na teknolojia hizo zinaweza kutusaidia.

Msaada mwingine unaweza kuwa vifaa ambavyo haviko kwenye CMOS - memristors au PCRAM (kumbukumbu ya mabadiliko ya awamu). Leo, uzani ambao huamua jinsi sinepsi za bandia hujibu kwa ishara zinazoingia huhifadhiwa katika kawaida kumbukumbu ya kidijitali, ambayo inachukua rasilimali nyingi za silicon zinazohitajika kujenga mtandao. Lakini aina nyingine za kumbukumbu zinaweza kutusaidia kupunguza saizi ya seli hizi kutoka mikromita hadi nanomita. Na ugumu kuu wa mifumo ya kisasa itakuwa kusaidia tofauti kati ya vifaa tofauti. Kanuni za urekebishaji zilizotengenezwa katika BrainScaleS zinaweza kusaidia katika hili.

Hivi punde tumeanza safari yetu kuelekea mifumo ya kiutendaji na muhimu ya neuromorphic. Lakini jitihada hizo zinafaa. Ikiwa tutafanikiwa, hatutaunda tu nguvu mifumo ya kompyuta; tunaweza hata kupata habari mpya kuhusu utendaji kazi wa akili zetu wenyewe.