Možganom podobni čipi v boju s hekerji

Človeški možgani so močnejši in energijsko učinkovitejši kot katerikoli računalnik. Raziskovalci posnemajo njihov način delovanja, da bi izdelali boljše čipe in omogočili lažjo obdelavo vse večjih količin podatkov, ki nastajajo vsak dan. Da bi preprečili hekerske vdore v pametne gospodinjske naprave, razvijajo hitre, energijsko učinkovite in možganom podobne čipe, ki lahko v realnem času prepoznajo grožnje neposredno na naših napravah.

Od pametnih hladilnikov, televizorjev do zobnih ščetk – vse več gospodinjskih naprav je povezanih s spletom v tako imenovanem internetu stvari. To nam po eni strani omogoča lažjo analizo podatkov o uporabi ali namestitev posodobitev na daljavo, hkrati pa pomeni varnostno grožnjo. Pametne naprave so namreč pogosto tarča hekerjev, da ustvarijo omrežja okuženih naprav, ki se lahko uporabljajo za obsežne kibernetske napade.

Proti takšni vrsti napadov se na primer borijo z zbiranjem vseh podatkov, ki gredo skozi napravo, in pošiljanjem teh v podatkovno središče, kjer algoritmi umetne inteligence prepoznajo sumljive dejavnosti med milijoni povezanih naprav. Vendar sta za to potrebna čas in prenos ogromnih količin podatkov. Znanstveniki bi zato radi izračune opravljali lokalno – na samem hladilniku ali zobni ščetki. Toda tako imenovano robno računalništvo (ang. edge computing), v okviru katerega se izračuni izvajajo lokalno, prinaša svoje izzive. Številni zapleteni izračuni se morajo izvesti hitro, na majhnih čipih, ki ne porabijo veliko elektrike.

»Če ustvarjate tolikšne količine podatkov, jih je zelo zahtevno obdelovati sproti,« je pojasnil dr. Matěj Hejda, raziskovalec, specializiran za napredno računalništvo in fotoniko, sodelavec v projektu Neuroplus, ki ga financira Evropska unija. Dr. Hejda in drugi raziskovalci v ekipi razvijajo majhen čip oziroma procesor, ki lahko zelo hitro izvaja izračune z umetno inteligenco, pri tem pa ne porabi skoraj nič energije.

»Če se zgodi kibernetski napad, si ne morete privoščiti zamud. Zanašamo se na zmožnost umetne inteligence, da sprejema hitre odločitve na podlagi zelo velikih količin podatkov. V ta namen smo zasnovali naš čip,« je pojasnil.

V običajnih računalnikih je pomnilnik ločen od centralne procesne enote, v kateri se izvajajo izračuni. FOTO: Shutterstock

Moč možganov

Inovativnost raziskovalne ekipe so navdihnili človeški možgani, ki lahko zapletene naloge izvajajo z veliko manj energije kot današnji računalniki. Ekipa je svoje delo zasnovala na bistvenih značilnostih nevronskega obdelovanja in upa, da bo lahko razvila pametno in energijsko varčno računalništvo za širok razpon praktične uporabe. »Vezja posnemajo delovanje možganov,« je povedal dr. Fabio Pavanello, raziskovalec s francoskega nacionalnega znanstvenoraziskovalnega centra (CNRS), ki dela v centru za radijske frekvence, optiko ter mikro- in nanoelektroniko. »To lahko storimo na več načinov. Odločili smo se za fotoniko, kar pomeni, da namesto električnih signalov za izračune uporabljamo svetlobne žarke,« je pojasnil dr. Pavanello. Ta nova kombinacija nevroznanosti in visoke tehnologije se imenuje nevromorfno računalništvo in postaja vse pomembnejše.

Del raziskave izvajajo v laboratorijih družbe Hewlett Packard Enterprise v Belgiji, kjer dela dr. Hejda. Tamkajšnji raziskovalci si prizadevajo, da bi odpravili eno od ozkih grl v sodobnem računalništvu na področju umetne inteligence: pomnjenje. »Poznamo način za premostitev te ovire,« je povedal dr. Pavanello. V običajnih računalnikih je pomnilnik ločen od centralne procesne enote, v kateri se izvajajo izračuni. Procesor izvaja izračune, podatki, uporabljeni v teh izračunih, pa so shranjeni v pomnilniku. Ti podatki se morajo nenehno prenašati iz pomnilnika v procesor in nazaj, običajno prek električnega vezja. Tako nastane ozko grlo, saj povezava med procesorjem in pomnilnikom ne prenese tako velikih pretokov podatkov.

Ozka grla povzročajo počasnejše izračune in večjo porabo energije, toda raziskovalci so morda odkrili rešitev. »Naš cilj je prestaviti pomnilnik in izračune na isto mesto. Mimogrede, tako delujejo tudi naši možgani. Zdi se, da so v naravi spomini, to so podatki, in razmišljanje na istem mestu,« je pojasnil dr. Hejda.

Svetlobni valovi

V projektu razvijajo tudi energijsko varčno fotonsko računalništvo. To ne izvaja izračunov z električnimi signali, ampak uporablja posebne čipe, pri katerih svetloba prehaja skozi mikroskopske poti, ki se imenujejo valovodi. Uporaba svetlobe ima številne prednosti, kot so minimalna izguba signala, zelo majhne zakasnitve med pošiljanjem in prejemanjem podatkov ter velika hitrost prenosa podatkov.

»Prav tako se lažje izvajajo vzporedni izračuni, saj se uporabljajo različne barve svetlobe. Če uporabljate te sisteme, imate lahko več senzorjev in zbirate več podatkov. To pomeni, da je mogoče sprejemati bolj informirane odločitve z nižjimi stroški energije,« je pojasnil dr. Pavanello. Še ena prednost uporabe fotonske tehnologije je možnost gradnje varnejših ščitov za te čipe za boljšo zaščito njihovega delovanja in podatkov, ki jih obdelujejo. »To je bistvena zahteva za njihovo varno uporabo v sistemih in omrežjih,« je dodal dr. Pavanello.

Pametne naprave so namreč pogosto tarča hekerjev. FOTO: Shutterstock

Pospešek za samovozeča vozila

Raziskovalna ekipa projekta Neuroplus namerava nov čip preizkusiti v praksi, med drugim pri zaznavanju vdorov v računalniška omrežja. Uporabljal pa bi se lahko tudi na primer za pospešitev reakcijskega časa samovozečih avtomobilov. Ko mora vozilo zavreti ali nenadoma zaviti med vožnjo, ne more čakati, da oddaljeno podatkovno središče obdela informacije in se odzove – vse se mora zgoditi hipoma in zanesljivo.

Fotonska arhitektura, ki jo uporabljajo v projektu, bo zagotovila veliko pasovno širino in kratko zakasnitev, kar bo programski opremi v avtomobilih omogočilo sprejemanje odločitev v realnem času, s tem pa se bo izboljšala varnost na cesti, so poudarili raziskovalci. Čipe je mogoče uporabiti tudi v prometnih kamerah in senzorjih, kar pomaga pri optimizaciji mobilnosti v mestnem okolju, ali pa v prenosnih zdravstvenih pripomočkih, ki spremljajo vitalne znake in pošiljajo opozorila v realnem času, če je karkoli narobe.

Pred nami je hiter napredek

V projektu med drugim sodelujejo francoska komisija za alternativne vire energije in jedrsko energijo, središče za visokozmogljivo računalništvo v Barceloni ter vodilne univerze iz Italije, Belgije, Portugalske, Nemčije in Grčije. Cilj raziskovalcev je, da do leta 2027 dokončajo in preizkusijo novo zasnovo čipa. Kljub temu bo moralo preteči še nekaj časa, preden bodo »možganski čipi« postali sestavni del naših naprav, saj jih je treba pripraviti na obsežnejšo uporabo. »Minilo bo še nekaj let, preden bodo ti čipi prišli v splošno uporabo, čeprav je naš pristop izredno prilagodljiv, saj uporabljamo enako tehnologijo, kot jo najdemo v mikročipih,« je pojasnil dr. Pavanello.

Ne glede na to pa so nevromorfni in fotonski čipi že postali najnovejši tehnološki trend. Velika podjetja, ki proizvajajo čipe, kot je Nvidia, vlagajo ogromno denarja v integrirano fotonsko tehnologijo. Po mnenju Matěja Hejde je to znamenje, da je tehnologija tik pred prehodom v splošno uporabo. »Očitno največji igralci na trgu menijo, da je fotonika tehnologija, ki ji morajo nameniti pozornost. To je dober znak, ki bi lahko pospešil prehod k uporabi v praksi,« je prepričan Hejda.

------

Raziskave, omenjene v članku, so financirane v okviru programa Obzorje Evropa. ​Članek je bil prvotno objavljen v reviji Horizon, reviji EU za raziskave in inovacije.