Fyzik Tomáš Jungwirth: Naše počítačové součástky se podobají neuronům v mozku

Objevy známého českého fyzika Tomáše Jungwirtha, kterých dosáhl společně se svým týmem z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, ukazují směr k mnohonásobně výkonnějším a rychlejším počítačům budoucnosti. Čeští vědci se tak podílejí na velkých proměnách elektroniky i fungování umělé inteligence.

Foto: Pavel Vítek

Přemýšlel jsem, jak bych jednoduše ve dvou slovech vyjádřil to, čím se zabýváte a k čemu směřuje váš výzkum. Napadla mě – zázračná paměť. Tedy zázračná paměť, kterou se budou vyznačovat budoucí počítače a umělá inteligence. Souhlasil byste?

My vědci nemáme moc rádi slovo zázrak. Když se nám totiž podaří něco objevit, většinou je za tím spousta let práce. Lidem se ale může zdát, že budoucí počítačové součástky budou zázračné, protože budou principiálně jiné než ty dosavadní. Také náš pohled na paměť se mění. V současnosti máme v počítačích oddělenou paměťovou část a procesor. To je ale zároveň hlavní problém dnešních počítačů. V lidském mozku paměť a zpracování informace oddělené nejsou. A součástky, které zkoumáme, už se více chovají jako neurony v mozku. Paměť a zpracování informace jsou na stejném místě.

To, že směřujete k rychlejšímu zápisu paměti a k výkonnějším počítačům budoucnosti, ale pravda je…

Ano. Výkonnějším, rychlejším. Větší rychlosti můžete dosáhnout dvěma způsoby. První možnost spočívá právě v tom, že nebudete mít oddělenou paměť od zpracování informace. Tím odpadá úzké hrdlo mezi pamětí a procesorem – takzvaný von Neumannův bottleneck v současné počítačové architektuře. Druhou možností je, že vyvinete součástku, která bude mít kratší reakční dobu – ať už jde o paměťovou součástku nebo procesor. My kombinujeme oba přístupy – zkoumáme integrované paměťovo-procesorové součástky, které jsou schopné reagovat nejen na elektrické, ale i na ultrakrátké optické pulzy. Rychlost elektrických pulzů v současné elektronice se měří v nanosekundách – tedy 10 na minus devátou sekundy. Naše součástky reagují i na optické pulzy o délce sto femtosekund. Oproti současné elektronice jsme tak o další čtyři řády rychlejší.

Váš výzkum stojí na dvou pilířích – zabýváte se spintronikou, která kromě náboje elektronu využívá také jeho spin, a paměť zapisujete na takzvaných antiferomagnetech. Mohl byste to více přiblížit?

Klasické polovodičové součástky využívají náboj elektronů, ale každý elektron je také elementární magnet a této jeho vlastnosti říkáme ve fyzice spin. Procesory jsou polovodičové, zatímco médium, které se převážně používá pro dlouhodobé ukládání informací, jsou magnety například v pevných počítačových discích nebo magnetických čipech. Hlavní myšlenkou spintroniky je, že když budeme využívat obou vlastností zároveň, tedy náboje i spinu elektronu, můžeme vytvořit součástku, která bude fungovat zároveň jako paměť i jako procesor. A v rámci spintroniky můžete pracovat s magnetickými materiály, které jsou buď feromagnety, nebo antiferomagnety.

Feromagnet je vlastně klasický magnet…

Přesně tak. Feromagnet je ten běžně známý magnet, který nám drží na ledničce. Antiferomagnety jsou taková kuriozita, protože mají krystalovou mřížku uspořádanou tak, že magnety elektronů kolem jednoho atomu míří jedním směrem, zatímco u sousedního atomu míří přesně opačně. Magnetické látky se ale překvapivě mnohem častěji uspořádávají antiferomagneticky než feromagneticky. Tím, že se lidé posledních 3 000 let soustředili téměř výlučně na feromagnety, tak vlastně ignorovali většinu možností, které by mohl obor magnetizmu nabídnout.

Tomáš Jungwirth (druhý zleva) se svými spolupracovníky v laboratoři Fyzikálního ústavu. Foto: Pavel Vítek

RYCHLEJI A BEZPEČNĚJI

A díky antiferomagnetům se dostáváte k tisíckrát rychlejšímu a bezpečnějšímu zápisu paměti, než je běžné?

Jedním z problémů klasických feromagnetických součástek je, že jsou citlivé na rušivé magnetické pole. Proto jsme se začali zabývat antiferomagnety. Ty jsou na magnetické pole necitlivé, protože jeho působení na jednu polovinu atomů antiferomagnetů se vyruší opačným působením na druhou polovinu jejich atomů. Pak jsme přišli na to, že jsme schopni informaci do antiferomagnetů zapsat mnohonásobně rychleji než do feromagnetů. A nakonec jsme zjistili, že se antiferomagnety chovají spíše jako součástky, které máme v mozku – neurony a synapse –, než jako klasické digitální součástky.

Váš tým se podílel na objevu spinového Hallova jevu, který se týká právě možnosti využít spin elektronů. Jako první na světě jste prokázali výhody antiferomagnetické paměti a vyvinuli jste nový typ paměťového čipu. Podařilo se mi vyjmenovat vaše dosavadní hlavní úspěchy?

Když jsme vstoupili do oboru spintroniky, celý svět se ještě zabýval klasickými feromagnety. Spinový Hallův jev jsme prokázali v roce 2004 ve spolupráci s laboratoří Cambridgeské univerzity. Paralelně tento jev pozorovali také na americké univerzitě v Berkeley. Dnes je spinový Hallův jev základem vývoje nové generace feromagnetických paměťových čipů.

To znamená, že jste se podíleli na teoretických základech dalšího vývoje elektroniky, mikroelektroniky…

Nejenom teoretických. Náš příspěvek byl kombinovaný – jednak jsme spinový Hallův jev teoreticky předpověděli, ale zároveň jsme byli u jeho prvního experimentálního ověření. Díky tomuto našemu výzkumu se nám podařilo získat finance na vybavení našich laboratoří, uspěli jsme v soutěži o řadu zahraničních grantů. A díky tomuto vybavení jsme se pak mohli vydat ještě mnohem odvážnějším směrem – od feromagnetů k antiferomagnetům. Byl to krok do neznáma. Vědci se do té doby antiferomagnety nezabývali, protože si nedokázali představit, že by bylo možné do nich informaci zapsat a následně přečíst. My jsme nejdříve teoreticky spočítali, jak by to možné bylo. A nakonec jsme vše dotáhli ze stavu sci-fi až k tomu, že jsme naši experimentální antiferomagnetickou součástku dali na USB, připojili k počítači a ukázali, že jsme schopni tam ty digitální jedničky a nuly zapisovat a číst pomocí běžné elektroniky.

S kým jste spolupracovali na tomto výzkumu?

Náš výzkum byl zpočátku v celosvětovém měříku unikátní. Když jsme se o deset let dříve podíleli na objevu spinového Hallova jevu, už bylo na spadnutí, že k tomuto výsledku někdo dospěje. Celá vědecká komunita ve světě na to byla hodně nažhavená. Byli jsme jedni z prvních, kterým se to podařilo a byl v tom i kus štěstí. Zatímco o přechodu od feromagnetů k antiferomagnetům nikdo jiný vážně nepřemýšlel, nikoho to nenapadlo. Mám také stálé místo na univerzitě v anglickém Nottinghamu a fakticky fungujeme s naším pražským pracovištěm jako jedna skupina. To je obrovská výhoda, protože jsme mohli pro studium antiferomagnetů využívat společné nápady a více přístrojů v našich laboratořích.

Když jste prokázali, jaký je potenciál antiferomagnetů, byl to tedy unikátnější objev?

Skutečně si myslíme, že tenhle objev byl v mnoha ohledech ještě zajímavější než spinový Hallův jev. Elektronika a spintronika tím mohou otočit směr skoro o 180 stupňů. Bude ale samozřejmě ještě hodně náročné vše dovést k případnému komerčnímu využití.

?Foto: Pavel Vítek

?SVĚT SE PROBUDIL

Kdy se Vám podařilo přesvědčit okolní svět, že využití antiferomagnetů dává smysl?

Byl to postupný proces. První teoretické články jsme začali publikovat někdy okolo roku 2010. O něco později jsme v dalších článcích prokázali, že informaci zapsanou na antiferomagnetech je možné elektricky přečíst. Extrémně obtížné ale bylo tuto informaci zapsat. V laboratorních podmínkách jsme přetočili antiferomagnet jiným směrem za působení velmi silných magnetických polí. Ale to pořád nemělo nic společného s reálnou součástkou. Vrcholem našeho snažení pak bylo, když jsme v roce 2016 prokázali i možnost elektrického zápisu. Myslím, že teprve tehdy se vědecká komunita probudila. To byl ten moment, kdy si mnozí řekli – aha, tak ono to může fungovat.

A pak jste představili demonstrační čip?

To se nám podařilo v následujícím roce 2017. Publikovali jsme další vědecký článek, ve kterém jsme prezentovali stejný elektrický zápis – už nikoliv v podmínkách naší laboratoře ve výzkumném ústavu, ale s použitím USB připojeného k počítači. Koncepčně a vědecky-fyzikálně na tom už nic nového nebylo. Byla to ukázka, že jsme schopni vše zreprodukovat za běžných podmínek.

Vaše výzkumná skupina se zabývá jak základním, tak aplikovaným výzkumem…

Bereme jako naši specialitu a naši konkurenční výhodu v našlapaném vědeckém prostředí, že se zabýváme problémy sahajícími od velmi akademických otázek až po reálné aplikace. Když se podíváte na většinu skupin ve vědecky vyspělém zahraničí, bývají úžeji zaměřené – zabývají se třeba určitou experimentální metodou nebo určitou teorií. To neznamená, že v naší skupině dělá každý všechno. My se snažíme vytvořit takové prostředí, v němž najdou uplatnění vědci, kteří se věnují té nejabstraktnější teorii, stejně jako ti, kteří se zaměřují třeba na výrobu nanomateriálů, nanosoučástek. A pak zde máme také spolupracovníky, kteří zakládají startupy a zabývají se technologickým transferem. Přesto jsme koherentní skupina. Jsem přesvědčen, že i díky tomuto širokému zaměření dokážeme stále přicházet s něčím novým.

Na čem pracujete teď?

Navazujeme na naše teoretické předpovědi, že by naše paměťovo-procesorové součástky měly být mnohem rychlejší než ty stávající. Proto jsme se přestěhovali z elektrických do optických laboratoří – tady spolupracujeme s Matematicko-fyzikální fakultou Univerzity Karlovy. V nich už nevyužíváme k zápisu a čtení informace proudové elektrické pulzy, ale pulzy femtosekundových laserů. Od klasické elektroniky jsme se posunuli k optice. Najednou jsme museli přijít s úplně novým principem zápisu, který má fyzikálně odlišnou podstatu. To nám teď otevírá dveře k ultrarychlému zápisu a čtení.

Dostáváte se k řádově ještě vyšším rychlostem? V minulosti jste mluvili o tisíckrát rychlejším zápise, než bylo dosud běžné…

V našem prvním článku z roku 2016 jsme ukázali zápis do antiferomagnetu pomocí elektrických pulzů o délce 100 milisekund, zatímco dnes už jsme u 100 femtosekundových laserových pulzů a jsme tedy bilionkrát rychlejší. Jsou to těžko představitelné škály. Pro představu – femtosekundu dělí od sekundy patnáct řádů a podobný počet řádů je mezi sekundou a stářím vesmíru.

Výsledky vašeho výzkumu asi najdou uplatnění v internetu věcí nebo konceptech chytrých měst?

Na jedné straně dnes studujeme antiferomagnetické nanočipy, miniaturní součástky, které nejsou digitální, ale analogové podobně jako neurony a synapse v našem mozku. Zároveň se snažíme naše poznatky přenést také do makrosvěta internetu věcí, kde instalujeme senzory do ulic měst nebo do budov. Zjistili jsme, že současná digitální elektronika není v těchto případech rozumně použitelná. Senzor připojený na místě k vlastnímu digitálnímu mikropočítači vysaje během chvilky připojenou baterii. My místo toho využijeme jednoduchý analogový obvod. Ten sice zatím nevyužívá naše antiferomagnetické nanočipy, ale základní koncept je stejný – zapomeňme na digitální elektroniku, která je velmi energeticky náročná. K nasbírání dat z jednoho senzoru nepotřebuji složitý procesor, více se hodí analogová součástka, která je navíc schopná tato data před odesláním neuromorfně předzpracovat.

Myslíte, že výsledků vašeho výzkumu dokáží využít k průmyslovým inovacím české firmy?

Záleží na tom, o jaké úrovni tohoto výzkumu se bavíme. Určitě můžeme připravit prototypy aplikací pro internet věcí a ve spolupráci s českými firmami je instalovat. Také tady můžeme najít výrobce. V této oblasti máme kontakty s řadou firemních i veřejných subjektů jak v Česku, tak v zahraničí. Tady nevidím principální problém. Něco jiného je takzvaná deep technology, tedy náš výzkum nanosoučástek. Vyrábět integrované obvody s nanosoučástkami je dnes schopno jen několik firem na světě typu Intel nebo Samsung. A přejít od běžných polovodičů k jiným typům materiálů, jako jsou například naše antiferomagnety, je běh na dlouhou trať, i kdyby z výzkumného hlediska byly všechny problémy vyřešeny a součástky měly jedinečné vlastnosti, kterých s křemíkem nelze dosáhnout.

UMĚLÝ MOZEK? I TO JE MOŽNÉ

Říkal jste, že způsob, jak tyto součástky fungují, se více blíží neuronům a synapsím v mozku než současným digitálním součástkám. Mnozí lidé, kteří tohle uslyší, si řeknou – tak to je další důkaz, že stroje mohou dosáhnout lidské inteligence. Je to podle vás možné takhle interpretovat?

Jeden z hlavních problémů současných počítačů je právě v tom, že mají oddělenou paměť a tu část, kde se zpracovává informace. V mozku máme všechno propojené dohromady. My chceme v antiferomagnetech obě funkce propojit a ve světě se pracuje i na dalších typech počítačových součástek, které by to uměly. Žádné ale nejsou tak rychlé jako ty naše logicko-paměťové součástky. Dostáváme se už mimo současnou digitální elektroniku, v níž zapisujeme jenom nuly a jedničky. Bude to vlastně taková analogová spojitá křivka. Informace se v naší součástce nejenom zapíše, ale také bude například jasné, kolik pulzů tam přišlo. Ty se sečtou a zůstane tam poslední hodnota. Navíc podobně jako v mozku nebude záležet jenom na tom, kolik tam přišlo pulzů, ale také na tom, jaká mezi nimi byla časová vzdálenost. U současných digitálních součástek na časové vzdálenosti nezáleží. Tohle všechno nám dává představu, že by třeba skutečně bylo možné vytvořit umělý mozek.

Tedy i tu kreativitu, kterou mozek dává člověku?

Přesně tak. Kognitivní myšlení a kreativita ale nemají prakticky nic společného se současnou takzvanou umělou inteligencí. Ta je naprogramovaná, připravená na jeden konkrétní úkol, na řešení jednoho problému. K tomu, abychom se od současných počítačů dostali na úroveň lidského mozku, který si takové problémy sám vymýšlí, je třeba postoupit mnohem dál. My teď máme jednotlivé součástky, které se podobají neuronům a synapsím, ale abychom dospěli k umělému mozku, museli bychom přijít na to, jak je mezi sebou propojit – tak, aby byly miliardy logicko-paměťových součástek vzájemně propojené.

Myslíte, že k tomu výzkum směřuje?

Na tuhle otázku v současné době odpověď nemáme. Nikdo ji nemá.

Ale připouštíte, že to možné je. Zdá se mi, že vidíte možnost, se kterou nepočítají ani lidé, kteří se zabývají tou současnou umělou inteligencí…

Když to řeknu s nadsázkou, náš mozek nakonec není nic jiného než kus hardwaru. A místo elektronů v něm létají ionty například sodíku. Jsou v něm synapse – vlastně takové kanály, kterými nabité ionty létají sem a tam. My dnes dokonce dokážeme vytvořit dokonalejší umělé neurony a synapse, které budou o dvanáct řádů rychlejší než ty, které máme v mozku. Asi hodně dlouho ale ještě nebudeme schopni zkonstruovat síť těchto součástek a její obrovskou propojenost.

Literární vize Karla Čapka – dokonalí roboti, kteří nakonec ovládnou svět – není úplně nesmyslná?

Nemyslím, že by měla být úplně nesmyslná. Vidím tady určitou paralelu s jadernou bombou. Pochopili jsme, jak se dá uvolnit v jednom okamžiku obrovské množství energie. Ta je dostatečná k tomu, abychom se mnohonásobně zlikvidovali. Toto poznání může také působit sebevražedným dojmem – pokud je tohle k dispozici, může to znamenat konec lidstva. Zatím jsme skoro jedno století v tomhle stavu přežili. A kromě jaderné bomby je kvantová mechanika i základem informačních technologií nebo lékařských metod, bez kterých si naopak už dnes neumíme život představit. Podobné to může být s umělou inteligencí. V případě jaderné energie způsobilo velký šok, jak rychle to lidé zvládli. Principy kvantové mechaniky se podařilo popsat ve dvacátých a třicátých letech minulého století, první výbuchy jaderné bomby následovaly ve čtyřicátých letech. To byl strašný fofr. Myslím, že oproti tomu bude trvat hodně dlouho, než se dostaneme od dvourozměrných plošných spojů v současné elektronice k obrovsky propojenému třírozměrnému světu našeho mozku.

JAN ŽIŽKA