Jednostavno rečeno
Istraživači su napravili mali računar koji bi mogao brzo analizirati mjerenja iz fuzijskog reaktora i uočiti znakove problema. Za sada su ga isprobali samo na ranije snimljenim podacima, a ne u reaktoru koji radi. Zasad se zna da može pratiti veoma brz dotok podataka, ali nije dokazano da može spriječiti kvarove niti učiniti reaktore sigurnijim.
Zašto fuzijskim reaktorima treba brže upozorenje?
Eksperiment se odnosi na uređaje poznate kao tokamaci: velike reaktore s komorom u obliku prstena, nalik krofni. Magneti u njima zadržavaju plazmu, gorivo koje naučnici nastoje koristiti za proizvodnju energije fuzijom. Ipak, to što je plazma zadržana ne znači da se njeno ponašanje može lako predvidjeti ili održavati stabilnim. Njeno stanje stalno se mijenja i može se brzo udaljiti od željenog.
Ako dođe do poremećaja, stanje plazme može se naglo urušiti, a ona izgubiti energiju, što bi moglo oštetiti uređaj. Zato se takvi događaji ne mogu posmatrati kao prolazna smetnja koju je moguće zanemariti: od njih zavisi može li se tokamak praktično i pouzdano koristiti. Michael Churchill, istraživač u Princeton Plasma Physics Laboratory i učesnik projekta, ističe da je sposobnost suočavanja s ovakvim događajima osnovni uslov za neprekidan rad tih reaktora.
Praćenje plazme podrazumijeva prikupljanje velikog broja mjerenja i njihovu analizu dok se stanje još mijenja. Tu se vidi ograničenje uobičajenog računarstva: podaci mogu pristizati toliko brzo i u tolikoj količini da analiza kasni, čak i kada ih računari na kraju mogu obraditi. Vrijeme je važno, jer otkrivanje znaka problema tek nakon što je događaj već odmakao ne pomaže jednako kao njegovo rano prepoznavanje.
Obrada podataka bliže mjestu mjerenja
Novi čip zasniva se na pristupu koji se naziva neuromorfno računarstvo. Kod njega je način obrade osmišljen tako da se mnoge operacije odvijaju istovremeno, po uzoru na neke osobine rada mozga. Cilj nije napraviti vještački um koji u svakom pogledu oponaša čovjeka, već primijeniti računarsku arhitekturu pogodnu za brzu obradu velikog broja signala i prepoznavanje obrazaca koji bi mogli ukazivati na problem.
Čip koristi supravodljive sklopove, tehnologiju povezanu i s nekim vrstama opreme za kvantno računarstvo. Prema zamisli istraživačkog tima, posebni algoritmi vještačke inteligencije mogli bi se pokretati direktno na samom čipu, umjesto da se podaci prvo šalju udaljenom računaru ili klasičnom računarskom sistemu. Tako se obrada približava izvoru mjerenja, a cilj je skratiti vrijeme od pristizanja signala do njegove analize.
To je važno zbog prirode zadatka. Čip ne bi trebalo da čeka da se eksperiment završi i da se podaci u cijelosti zabilježe prije nego što počne analiza, nego da obrađuje informacije dok pristižu. Xinghai Yu, voditelj odjela za vještačku inteligenciju u Brookhaven National Laboratory i rukovodilac projekta, kaže da ugrađena memorija i brzina koja doseže gigahercni raspon otvaraju mogućnost primjene čipa u rubnom računarstvu. To znači da se podaci obrađuju na mjestu gdje nastaju ili u njegovoj blizini, umjesto da se za svu obradu koriste veliki centri za obradu podataka.
Testiranje na podacima iz tokamaka DIII-D
Čip još nije povezan s tokamakom koji radi, pa tokom testiranja nije bio izložen živoj plazmi u reaktoru. Umjesto toga, tim je upotrijebio ranije zabilježene podatke iz tokamaka DIII-D u San Diegu, u saveznoj državi Kaliforniji. Istraživači su ih ponovo slali na čip istom brzinom kojom su prvobitno prikupljeni: milion uzoraka u sekundi.
Čip je tokom tog ponovnog puštanja podataka uspio pratiti njihov dotok. Istraživači su na njemu pokretali algoritme namijenjene prepoznavanju neuobičajenih stanja i predviđanju poremećaja. Najvažniji rezultat ovog koraka jeste to što je hardver mogao obrađivati podatke tempom kojim su bili zabilježeni. To, međutim, ne dokazuje da je zaustavio stvarni poremećaj niti da je poboljšao rad reaktora dok je bio u pogonu.
Ova razlika je važna za razumijevanje onoga što je postignuto, ali i onoga što tek treba provjeriti. Ponovno puštanje ranijeg snimka pokazuje može li čip primati i analizirati podatke dovoljno brzo. Ne obuhvata sve što se može dogoditi kada se čip poveže sa stvarnim postrojenjem, gdje se mora utvrditi kako radi s mjerenjima koja pristižu u stvarnom vremenu i kako na njih reaguje. Isto tako, činjenica da algoritam može izdati upozorenje ili nešto predvidjeti sama po sebi ne dokazuje da sistem za upravljanje može na osnovu toga pravovremeno preduzeti odgovarajući korak.
Churchill opisuje rad kao demonstraciju tehnologije u ranoj fazi. Rezultati tima tada još nisu bili objavljeni, jer su ih istraživači pripremali za objavljivanje. Zato ovaj projekat treba shvatiti kao početno ispitivanje mogućnosti jedne računarske platforme, a ne kao tehnologiju spremnu za upotrebu u fuzijskim reaktorima.
Uočiti opasnost nije isto što i spriječiti je
Postoji velika razlika između toga da čip brzo prepozna znakove mogućeg poremećaja i toga da spriječi da poremećaj ošteti uređaj. Prvo se odnosi na mjerenje, analizu i predviđanje. Za drugo je potrebna odgovarajuća reakcija koja se može sprovesti dovoljno brzo da utiče na ponašanje plazme. Test opisan u projektu provjeravao je obradu ponovo puštenih podataka, ali još nije pokazao da cijeli sistem za kontrolu radi uspješno.
Prema timu, tokamaci već rade i bez ovakvih čipova. Ipak, postojeći mehanizmi upravljanja ne mogu nužno reagovati na problem onoliko brzo koliko bi novi čip, prema očekivanjima, mogao da ga prepozna. Zato ostaje otvoreno pitanje: hoće li brže uočavanje opasnosti smanjiti vrijeme između njenog pojavljivanja i odgovora na nju ili će samo ubrzati analizu, bez promjene stvarnog ishoda rada reaktora? Za sada nema konačnog eksperimentalnog odgovora.
Prelazak s modela koji obrađuje sačuvani snimak na testiranje povezano sa stvarnim reaktorom važan je naučni korak. U radu s reaktorom koji je u pogonu tim će morati provjeriti da li čip pravilno obrađuje pristigla mjerenja i jesu li njegovi rezultati korisni za stvarno upravljanje. Dosadašnji test ne daje osnovu za zaključak da će zbog čipa poremećaji biti rjeđi ili manje štetni, niti da će samo njegovo uvođenje učiniti fuziju sigurnom.
Projekat bi mogao imati primjenu i izvan fuzijskih reaktora
Yu ne vidi budućnost ove tehnologije samo u fuziji. Brza obrada uz ugrađenu memoriju mogla bi biti korisna i tamo gdje odgovarajući klasični centar za obradu podataka nije dostupan ili se ne nalazi u blizini. Upravo to podrazumijeva rubno računarstvo: uređaji blizu izvora informacija obavljaju dio analize, umjesto da se svi podaci šalju u centralni sistem i čekaju na obradu.
To ipak ne znači da je čip već dokazao svoju djelotvornost u svim tim mogućim primjenama. Riječ je o pravcu koji voditelj projekta želi istražiti, dok je fuzija zasad oblast u kojoj su algoritmi za prepoznavanje neuobičajenih stanja i predviđanje poremećaja testirani na podacima iz DIII-D. Važno je razlikovati moguće buduće načine upotrebe od onoga što je zaista provjereno u ovom eksperimentu.
Čak je i u primjeni za fuziju model vještačke inteligencije koji radi na čipu mnogo manji od velikih jezičkih modela koji su danas poznati. To je očekivano, jer je zadatak drugačiji: čip treba analizirati određene signale, a ne stvarati tekstove na razne teme ili odgovarati na otvorena pitanja. Sama veličina modela ne govori je li projekat uspješan ili neuspješan. Važnije je može li model obaviti konkretan zadatak u potrebnom vremenu i pokazati korist kada se uklopi u stvarno radno okruženje.
Sljedeći korak: neuronska mreža deset puta veća
Tim planira napraviti novu generaciju čipa s neuronskom mrežom deset puta većom od sadašnjeg modela. Prema objavljenom planu, očekivalo se da novi čip bude predstavljen u Brookhavenu početkom naredne godine, a njegova ugradnja u DIII-D trebalo je da uslijedi kasnije. Nije naveden precizniji kalendarski datum, pa je riječ o planu koji je tim najavio, a ne o zagarantovanom roku za završetak posla.
Ako se ti koraci ostvare, ugradnja nove generacije u postrojenje predstavljat će drugačiji test od ponovne obrade već snimljenih podataka. Tehnologija bi tada prešla s provjere može li pratiti raniji snimak na obradu podataka koji dolaze direktno iz reaktora, bez prethodnog spremanja na disk. Ipak, ni takav test sam po sebi ne bi dokazao da čip štiti tokamak. I dalje bi trebalo izmjeriti koliko su upozorenja tačna i korisna te kako se povezuju sa sistemom za upravljanje.
Veća mreža mogla bi biti korisna ako joj omogući da analizira složenije obrasce, ali za sada je to mogućnost, a ne potvrđen rezultat. Veći model treba posebno procijeniti, a povećanje mreže samo po sebi ne garantuje ni brži odgovor ni kvalitetnije predviđanje. Naredna ispitivanja pokazat će donosi li spoj supravodljivog hardvera i posebno prilagođenih algoritama konkretnu korist, a ne samo uspješnu obradu ranije zabilježenih podataka.
Zaključak
Čip koji su razvili Brookhaven i Great Sky usmjeren je na jedan od važnih problema tokamaka: kako dovoljno brzo uočiti promjene u plazmi, prije nego što se poremećaj pogorša. Testiranje na ranije zabilježenim podacima iz DIII-D pokazalo je da čip može pratiti brzinu od milion uzoraka u sekundi i pokretati algoritme za prepoznavanje neuobičajenih stanja i predviđanje mogućih problema. Ipak, čip još nije testiran na živoj plazmi i nije dokazano da može spriječiti poremećaje ili povećati sigurnost reaktora. Planirana nova generacija, s mrežom deset puta većom, mogla bi približiti tehnologiju testiranju u stvarnim uslovima. Njena stvarna vrijednost zavisit će od toga hoće li brzu analizu uspjeti pretvoriti u djelotvornu kontrolu reaktora.