Vojtěch Uhlíř: Umělé synapse z antiferomagnetických materiálů

Tato technologie by mohla vyřešit hlavní problém aplikací umělé inteligence – katastrofické zapomínání. Výzkumná skupina na CEITEC VUT se bude věnovat úpravě prototypových schémat pomocí antiferomagnetických materiálů, které mají neobyčejnou vnitřní strukturu a navenek nevykazují magnetické vlastnosti. Tým se tak postavil před náročný úkol – musí najít způsob, jak číst a manipulovat s magnetickou orientací těchto materiálů.

Čím do projektu přispívá Vaše skupina?

Přispíváme hlavně po materiálové stránce. Chceme modifikovat prototypové schéma o novou třídu materiálů, která by mohla vylepšit fungování umělých synapsí. Ale samozřejmě nevíme, jestli to bude fungovat třeba z fyzikálního pohledu, jestli ty mechanizmy a materiály budou aplikovatelné. Takže je to sice do určité míry aplikačně zaměřený projekt, ale můžeme si vyhrát s tím, jak nakonec přispějeme. Pokud bychom však náhodou neuspěli, máme stále možnost použít klasické feromagnetické materiály pro emulaci synaptického chování, tedy napodobení fungování spojení mezi nervovými buňkami.

Jakou třídu materiálů máte na mysli?

V našem případě se jedná o tzv. antiferomagnetické materiály, které jsou zvláštní tím, že navenek nevykazují žádné magnetické vlastnosti. Pro ilustraci si představte, že máte klasický tyčový magnet a okolo rozsypete piliny. Ty se kolem něj zmagnetují a vytvoří nějaký obrazec. To u antiferomagnetických materiálů nefunguje. Pokud tam hodíte piliny, budou se chovat stejně, jako kolem kusu plastu nebo dřeva. A to je proto, že vnitřní struktura je poskládaná tak, že se vlastně jednotlivé magnetické momenty vykompenzují.

Ještě v něčem jsou tyto materiály jedinečné?

Mají specifické uspořádání, tzn. není to jako třeba hliník, který má magnetické momenty na atomech uspořádané náhodně. Tady mají přesně danou strukturu. Což se dá využít, pokud přijdeme na to, jak lokálně vyčíst orientaci těchto momentů. U některých materiálů zatím můžeme jen říct, jaký je směr, jestli jsou natočené třeba o 90 stupňů vůči sobě. Takže to je první výzva, která nás čeká. A druhá spočívá v tom, jak ovládat ono natočení. Protože tím, že nevyzařují žádné vnější magnetické pole, tak je nemáme za co „chytit“. Normálně bychom na feromagnet použili vnější magnetické pole, díky čemuž se bude snažit otočit souhlasně. Antiferomagnetu to v prvním přiblížení bude úplně jedno.

Má takové chování i nějaké výhody?

Vlastně mnoho výhod. Když byste měla součástku na bázi antiferomagnetického materiálu, nebudete mít problém s vnějšími magnetickými poli, a tedy třeba se ztrátou informace nebo nežádoucí manipulací. Na druhou stranu je ale velmi náročné přijít na to, jak s materiálem manipulovat účelově.

Už máte nějaké nápady, jak by to šlo?

V posledních pěti, šesti letech se poměrně silně rozvíjí přístup, který spočívá v manipulaci s orientací antiferomagnetů pomocí elektrického proudu. Podle toho, jakým směrem elektrický proud do krystalu pošleme, jsme schopni natáčet s vnitřními magnetickými momenty. Tento přístup je samozřejmě potřeba verifikovat pro materiály, které by pro nás připadaly v úvahu. Kromě toho musíme ale přijít s dodatečným mechanizmem, jak buď zjednodušit, nebo ztížit přepínání nebo změnu orientace antiferomagnetických momentů. A to zjednodušení nebo ztížení souvisí už s neuromorfním chováním, tedy s tím, jak funguje záznam informace v našem mozku a jakým způsobem rozlišujeme, která informace je méně důležitá, nebo více důležitá. Čímž se dostáváme k podstatě celého projektu METASPIN.

Co je tedy cílem projektu?

Inspirací je mozek, konkrétně jeho synaptické chování. Pro učení je důležité opakování. Čím častěji něco děláme, tím to jde snáze, až je to zautomatizované. Podobným způsobem se snažíme emulovat paměťový efekt v nějaké součástce. Můžeme si to představit tak, že když budu mít drát, kterým posílám proud, tak bych neočekával, že čím více do něho budu posílat proud, tak tím více se budou měnit jeho vlastnosti. Ale existují materiály nebo fyzikální mechanizmy, které toto umožňují. Čím častěji tam bude signál probíhat, tím víc se bude měnit základní odpor drátu. Takže může být jednodušší, nebo těžší tam posílat proud podle toho, jaký mechanizmus používáme.

K čemu by se takový princip mohl využít?

Teď už se využívá na startupové úrovni, kde je potřeba zautomatizovat nějakou jednodušší specifickou úlohu.

Jak si to můžeme představit?

Například potřebujete zpracovat dokumenty, ve kterých musíte najít něco specifického, nějaký text, obrázek. Pokud to dělá člověk, tak se na to podívá a řekne, jo, to je to, co hledáme a roztřídí to třeba podle tohoto charakteru. Pro standardní softwarový přístup je tato úloha náročná, protože musíme napřed najít vzorec v dokumentu, a to stojí energii. Například se musíme zeptat, jestli ten pixel je černý nebo bílý a pak v tom hledat ještě nějaký obrazec. Takže to je pro počítač poměrně těžká úloha, ale pro člověka to není těžké. Když přijdu do plné přednáškové místnosti a zeptáte se mě, jestli je tam můj student Krištof, tak se podívám a za pár sekund Vám řeknu ano, ne. A nestojí mě to ani moc energie, protože vím, jak Krištof vypadá. Už jsem ho několikrát viděl a mám to zafixované v mých synapsích. Je to něco jako hledání vzoru právě v tom dokumentu nebo v obrazu. Takže to je v kostce, jak funguje neuromorfní chování, a co se snažíme udělat v součástkách.

S pamětí se pojí i zapomínání, s tímto procesem taky chcete pracovat?

Ano. My bychom chtěli, aby se součástka naučila více úloh najednou. Když ji naučíte vyhledávat třeba tři studenty v přednáškové místnosti a pak se přesunete na jiný kurz, kam chodí jiní studenti, a začnete součástku učit, jak vypadají, aby zároveň nezapomněla na podobu třech studentů v původní přednáškové místnosti. Což je úloha, kterou náš mozek zvládá. Samozřejmě kdybyste je hodně dlouho neviděla, tak na ně postupně zapomenete. Ale u hardwarové součástky proces zapomínání probíhá velmi rychle, což bychom chtěli změnit. Musíme přijít na to, jak ho zpomalit nebo modifikovat, abychom mohli stále používat i tu předchozí úlohu. Nedokážeme zapomínání znemožnit.

Víte už, jaké prostředky na omezení ztráty paměti vyzkoušíte?

Inspiraci hledáme opět v lidském mozku. Když máte při učení nějaký další vjem – zvukový a obrazový – tak je velká pravděpodobnost, že si toho zapamatujete víc. Nebo pokud je spojeno třeba s emocí, že přednášející používal analogie, které jsou Vám blízké nebo řekl nějaký dobrý vtip. To je něco, co Vám pomůže si to zapamatovat. Tohle bychom chtěli vyzkoušet. Kromě toho, že budeme materiál modifikovat jedním typem stimulů, musíme mu předat ještě něco jiného, čím nastavíme, že si to systém bude pamatovat lépe nebo hůře.

Což je vlastně přidaná hodnota, protože u lidí to takto snadno nefunguje.

Je to takové cimrmanovské. Řeknete studentům, toto je důležité, toto si pamatujte, a toto není důležité, toto si nepamatujte (smích). Ale té součástce můžeme říct, tady toto je důležité. Kdybyste psala se shiftem – teď bude velké písmeno, teď bude malé – to už se nějak dá. Ale ten mechanismus, jak to uděláme, aby to právě bylo „výrazněji“ zapsáno nebo „méně výrazněji“ zapsáno. To je něco, co budeme zkoumat a co chceme aplikovat na antiferomagnetický materiál.

Bavíme se teď velmi abstraktně, jak si můžu představit konkrétně Vaši práci?

Probírali jsme zatím koncept projektu. Spolupracuje na něm široké konsorcium lidí. Někteří dělají materiály, někteří jsou matematici, kteří přemýšlejí nad algoritmem, jak ho implementovat pro ten materiál. Další jsou tam třeba firmy, které se zabývají vývojem planárních technologií, přípravou tenkých vrstev, výrobou čipů apod. A my konkrétně se zabýváme studiem magnetických konfigurací v malých rozměrech magnetických materiálů. Tím, že je můžeme zobrazit, tak můžeme testovat jejich ovládání různými stimuly. Takže cesta k tomu, že materiál budeme něco učit, je zatím daleká.

Takže pracujete v laboratoři?

Ano. Naše práce spočívá v přípravě materiálu, strukturování do nějakého zajímavého tvaru, modifikaci materiálu. Pak připojíme kontakty, provádíme elektrická měření, přičemž využíváme různé typy mikroskopie od optické po elektronovou. Ale pokud se ptáte, co konkrétně já dělám v laboratoři, tak už bohužel skoro nic. Snažím se to vše koordinovat, dívat se, kde co „hoří“, a většinou stačí nějak poradit a pak musím zase telefonovat, aby nám něco dodali, pak taky učím, navazuji nové spolupráce… Takže ač nerad, posunuji se více k této manažerské práci.

Z těch různorodých činností na mě vyskakuje stres, ale Vy působíte velmi klidným dojmem. Jako byste vše zvládal s noblesou.

To se jen tak zdá (smích). Myslím, že to je jediný přístup, jak to zvládnout a nezbláznit se z toho. Když jsme se bavili právě o funkcích mozku a jak přemýšlíme, je vědecky prokázáno, že člověk není schopen přepnout po pěti minutách na úplně jiné téma. A často je to tak, že mně trvá nějakou dobu, než si „vytáhnu“ z té paměti pro dlouhodobý záznam do té operační to, co potřebuju. Nedělám věci, které bych si mohl snadno zautomatizovat. Pokaždé se musím soustředit, což je vyčerpávající.

A jak dobíjíte baterky?

Sportuju, zahradničím. Nejlépe sám. Potřebuju dělat něco, u čeho můžu vypnout. Ideálně nějakou zautomatizovanou činnost. To je důležité i pro ty aplikace. Pokud dokážeme přístroj naučit určité úlohy zautomatizovat, tak nám to ušetří energetické prostředky. To je jak v tom našem mozku. Kdybyste pokaždé, když si ráno čistíte zuby, museli nad tím přemýšlet. Aha, kartáček, co s ním udělám a tak. Když budete mít „vyběhané“ dráhy i v té součástce, tak to proběhne s minimální energií.

Říkal jste, že antiferomagnetické materiály, které jsou teď předmětem Vašeho zájmu, nemají magnetické pole. Dá se nějak vytvořit? Aby se tvářily jako feromagnety?

Narážíte na jeden princip. Třeba u jedné třídy materiálu jsme schopni vyvolat fázovou přeměnu z antiferomagnetického do feromagnetického uspořádání. To si můžete představit, jako když zahříváte led. Na chvilku z něj uděláte vodu a pak ho zase zchladíte zpátky do ledového stavu. To jsme schopni udělat v pevné fázi u jednoho materiálu. Děje se to blízko pokojové teploty, takže to může být zajímavé tím, že materiál můžeme lokálně zahřát. Třeba laserem. A nějak ho modifikovat v té feromagnetické fázi a pak ho zase zchladit.

A bylo by to v něčem výhodné?

Třeba pomoct té řízené manipulaci antiferomagnetických stavů. Jak jsem říkal, my zatím nevíme, jestli budeme vůbec schopni natáčet vykompenzovanými momenty v antiferomagnetu, jak potřebujeme. Takže toto jsou různé přístupy, které můžeme vyzkoušet jako plán A, B, C, D. Takže teďka já Vám nedokážu říct, jestli to bude fungovat, nebo ne. Ale byla to velmi dobrá otázka.

Co bude výsledným produktem projektu METASPIN?

Čip, který dokáže emulovat chování, o kterém jsme se bavili. Pak je na firmách, které se na projektu podílejí, aby přišly s návrhy aplikací našeho produktu. Můžou se využít v rozpoznávání více typů různých objektů, při analýze obrazu, kde potřebujete zpracovat velké množství dat.

Myslíte třeba jako bezpečnostní kamerové systémy na letištích?

Například, ale to opravdu dokážete vymyslet víc možností použití než já. Netroufám si tvrdit, na co to nakonec inženýři použijí. Nechám se rád překvapit.

 

Autorka: Kristýna Filová

Zdroj: CEITEC