Jaan Raik: arvutite puhul peab saabuma revolutsioon, et nende tormiline areng saaks jätkuda

Jaan Raik:

arvutite puhul peab saabuma revolutsioon, et nende tormiline areng saaks jätkuda

Juba aastakümneid on professor Jaan Raik, TalTechi usaldusväärsete arvutisüsteemide keskuse juht, arvutimaailmast huvitatud olnud. Ta tegeleb kiibiteaduse valdkonnas, kus tuleb murda pead, kuidas projekteerida kiiremaid, keerukamaid ja säästlikumaid kiipe. Jaan Raiki juhitav uurimisgrupp on suurim EXCITE-s osalevatest teadusgruppidest ja on olnud väga edukas üleeuroopaliste teadusprojektide koordineerimisel.

Tema hinnangul peab lähimatel aastakümnetel valdkonnas toimuma suur muutus, isegi revolutsioon, sest arvutite, protsessorite, serverite ja kõige muu sellise energiatarvet me peagi välja ei kannata.

Arvutitel endil on inimaju tasemele jõudmiseni jäänud ainult väike sammuke, ütleb Raik. Kui räägime arvutamise ja otsuste tegemise võimsusest ja keerukusest. „Me ei olegi enam

ajust eriti kaugel,” tõdeb ta. Nii on üksnes aja küsimus, kuni arvutid jõuavad suutlikkuselt inimaju tasemele. „Peamine aspekt, milles me oleme tohutult maas, on energiatarve. Meie aju tarbib suurusjärgus 12 kuni 25 vatti energiat, mis on inimese kogu energiavajadusest tubli viiendik. Samas võrreldes superarvuti või ülisuperarvutiga on see köömes. Viimased vajavad tervet elektrijaama,” toob Raik välja.

Niisiis ei ole arvutite tõhusus piisav ja ressursimaht, mida need kasutavad, seab omakorda piirangud. Arvutite taktsagedus ei ole viimase kümnendi jooksul tõusnud. Miks? Võimsustarve oleks lihtsalt liiga suur. „Kiip seal sees lihtsalt põleks ära. See ületab juba päikese või tuumareaktsiooni temperatuuri. Kiip läheks liiga kuumaks ja ei olegi mingit võimalust seda jahutada,” selgitab Raik.

Kuna üht üksikut protsessorit ei anna võimsamaks muuta, siis on mindud mitmete protsessorite (tuumade) korraga kasutamise teed. Raiki sõnul on see probleem ja sel on mitu aspekti.

„Üks on see, et meie planeet kannatab. Tekitame selle tohutu arvutamise käigus meeletu koguse CO2. Bitcoin’ide kaevandamine on siin ehe näide. See võtab tohutu energia, aga tegevus sisuliselt olulist lisandväärtust ei anna. Kuid halb on see, et ka kõik vajalikud protsessid võtavad liiga palju energiat. Selge on ka see, et inimkond ei taha tehnoloogiast loobuda,” tõdeb Raik. Pigem on viimast aina enam ja see peab olema üha võimsam. Energiat ennast aga ei ole lõpmatuseni ja seetõttu peab midagi muutuma.

„Tõenäoliselt saab lahendus olla mingi põhimõtteliselt uus paradigma arvutite jaoks. Milline see täpselt olema saab, ei oska veel öelda. Ehk üritatakse kuidagi imiteerida loodust, mis on väga hästi hakkama saanud ökonoomse arvutamisega. Ajad muutuvad kindlasti,” on Raik veendunud.

Kui räägime arvutamise ja otsuste tegemise võimsusest ja keerukusest, siis on üksnes vähese aja küsimus, kuni arvutid jõuavad suutlikkuselt inimaju tasemele.

Kvantarvuti ja uued tehnoloogiad on tulemas

Jaan Raik räägib ränitehnoloogial põhinevatest kiipidest ja von Neumanni arhitektuuridest, mis on pärit juba möödunud sajandi neljakümnendatest. Varsti täitub nimetatud leiutistel 100 aastat ja Raik usub, et need teadmised ammendavad end peagi. Ta loodab, et hiljemalt 10–20 aasta pärast toimub siin revolutsioon.

Kui rääkida kvantarvutitest, siis pakub Raik, et enne 2050. aastat me neid ei näe. Kui need tulevad, saab see muidugi olema läbimurre ja mitmed praegustel arvutitel aega nõudvad protsessid muutuksid hoobilt kiirelt lahendatavaks. Ta toob näiteks teede planeerimise, otsinguülesanded ja teatud laadi optimeerimised, mida sellised ülivõimsad arvutid saaksid lahendada peaaegu hetkega. Samas tõdeb ta, et mingi absoluutne võluvits see ei ole, sest kõiki ülesandeid kvantarvuti hästi lahendama ei hakka. „Suund on pigem selle poole, et tekib palju erineva tarkusega arvutitehnoloogiaid, nagu praegu on närvivõrgud, protsessorid, eraldi veel graafikaprotsessorid jne. Kindlasti tekib nišilahendusi, mis hakkavad mingit kindlat ülesannet hästi lahendama,” prognoosib professor.

Kuid energia tarbimise probleem on endiselt õhus. Üks vastus võib peituda elektrokeemilistes lahendustes, kus on mängus keemia, ainete liikumine ja teatud reaktsioonid. „Nii nagu meil ajus on mingid ained, mida neuronid saadavad või eritavad. Üks variant ongi vaadata, kuidas aju on tehtud, ja seda imiteerida.”

Iseseisev robot

Jaan Raiki uurimisrühmadel on käsil mitmeid olulisi projekte. EXCITE projekte nimetab Raik väga põnevateks ja n-ö kastist välja teemadeks. Võtame esmalt ette masinnägemise, kus rõhk ei ole niivõrd masinnägemisel endal, vaid selle juhitaval autonoomsel süsteemil. Sisuliselt on tegemist robotiga, mida ei juhita väljastpoolt. Ta tegutseb selle põhjal, mida näeb, ja teeb ise otsuseid. „Loomulikult on talle programmeeritud mingisugune üldise taseme missioon, mida ta täitma peab, aga töö käigus või mingis keskkonnas olles hakkab ta ise tegema järeldusi, astuma samme ja vaatab, kuidas olukord muutub. Ta püüab iseseisvalt jõuda oma eesmärgile aina lähemale,” kirjeldab Raik.

Ta lisab, et see on väga huvitav rakendus, mille teeb veel huvitavamaks tõik, et Alvo Aabloo (samuti EXCITE-st) grupis on inimesed, kes oskavad teha tehislihaseid ja miniatuurseid pehmeid roboteid. „Meie poolt on kiipide ehitamise kompetents ja infrastruktuur,” kirjeldab Raik koostööd.

Aabloo järeldoktor Saoni Banerji defineeris ülesande, kus on robotkaamera, mis vaatab ja jälgib olukorda inimese kõrva sees. Tema ülesanne on diagnoosida põletikku. Kaame-

rapilt läheb närvivõrku, kus toimub töötlus. Robot juhib ise kaamerat ja töötleb pilti. See oli Banerji algne idee ja sellele on kirjutatud ka projektitaotlus. Raik ütleb, et sellise lahenduse rakendus võib olla palju laiem – seda saab kasutada erinevatel robotitel, mis töötavad iseseisvalt ja millega ei saa kontakti. „Tal on aju, mis saab aru, mis näeb ja mis töötleb pilti, mida ta näeb. Ta klassifitseerib seda, mida ta näeb. Tunneb ära objekte, lokaliseerib neid ja oskab reageerida. Ta liigub vastavalt nähtule,” kirjeldab Raik.

Universaalne lahendus

Raik töötab koos oma gruppi kuuluva professor Maksim Jenihhini, kaasatud professor Masoud Daneshtalabi ja tudengitega välja kiipi, mis on 40-nanomeetrine ehk äärmiselt väike, võiks öelda miniatuurne tehnoloogia. Ühe ruutmillimeetri peale mahub väga keeruline süsteem. Sellele pannakse külge nanokaamera,

Meie eesmärk on teha see kiip piisavalt universaalne, et me saaks seda pakkuda ka teistele uurimisgruppidele ja/ või ettevõtetele, kes võivad sedasama masinnägemise poolt juhitavat lähenemist kasutada mis tahes rakenduse jaoks.

mida ise välja töötada ei ole tarvis. See ostetakse sisse. Kiibi sees on närvivõrk, mis tuvastab objekte. Kiibi peale on projekteeritud ka kontroller, kuhu omakorda saab programmeerida erinevaid algoritme. See kontroller saab info otse närvivõrgust. Närvivõrku võib pidada ka selle minisüsteemi ajuks, mis töötleb kaamerast saadud pilti ja juhib robotit.

Teadlased on rääkinud ka erinevate firmadega võimalikust huvist ja rakendustest. Selgemalt on välja joonistunud meditsiinisektori huvi, aga tõenäoliselt on rakendusvõimalusi, mida praegu ettegi ei oska kujutada. „Meie eesmärk on teha see kiip piisavalt universaalne, et me saaks seda pakkuda ka teistele uurimisgruppidele ja/või ettevõtetele, kes võivad sedasama masinnägemise poolt juhitavat lähenemist kasutada mis tahes rakenduse jaoks,” avaldab Jaan Raik.

Tuleb teha töötav prototüüp

Loodava kiibi tööd piiravad nii kaamera resolutsioon, närvivõrgu suurus kui ka kontrolleri keerukus. „See on siiski päris suure potentsiaaliga. Me ei teagi veel, kus tema piirid täpsemalt on,” räägib Raik. Ta täpsustab, et resolutsiooni puhul räägime

me umbes 300 x 300 pikslist, kahest analoogelektroonikas realiseeritud konvolutsiooni ja kahest koondavast kihist ning närvivõrgust, mille igas kihis on ligi 400 neutronit ja millel on kolm kihti. Lisaks on sel lihtne protsessor koos mäluga ja piiratud arv juhtsignaale. „Need on tema parameetrid, aga juba nendega saab teha väga võimsaid asju.”

Raik ütleb, et kui rääkida pehmest robotist, siis on plaanis teha midagi putukasarnast. Robot kasutab ringi liikumiseks tehislihaseid – viimased tõmbuvad elektriimplulsi abil kokku ja siis jälle pikenevad. See putukas on väga väike, kerge ja imeväikese energiatarbega. Raik arvab, et miks mitte ei võiks selle üheks rakenduseks olla luureputukas. Igatahes on tegemist miniatuurse robotiga, mil on võime ronida kuhugi, kus on väga vähe ruumi ja kus temaga ei saa ühendust.

Esimene eesmärk on aga teha ära toimiv prototüüp, millega näidata, et selline miniatuurne ise nägev ja juhtiv ning seejuures vähe energiat nõudev robot on reaalselt tehtav.

Ei saa öelda, et see, mida Raik koos Aablooga teeb, on täiesti uus lähenemine. Eesti teadlaste tehtu unikaalsus peitub aga programmeeritavuses. Teine uudne aspekt on see, et närvivõrk, mida nad ehitavad, on suuresti selline, mida pole varem tehtud. „Seal on analoogelektroonika poole peal selliseid nippe, millega saame närvivõrku palju kompaktsemaks ja lihtsamaks teha selle arvelt, et me kaotame lineaarses aktiveerimisfunktsioonis. Aga mittelineaarsus ongi mõnes mõttes hea. Ebatäpsus on isegi positiivne. Õppimist teeb see tõhusamaks. See on üks huvitav uudsus,” selgitab Raik. On aga veel väiksemaid unikaalseid tahke, mida meie teadlased artiklitena teadlaskonnale ka edasi annavad.

Teooriast lõpuks praktikasse

Teine Raiki koostöö on professor Maarja Kruusmaaga veealuste sensorvõrkude osas. Raik on rikete ja testimistega tegelenud n-ö maast madalast. Selle teemaga on ta seotud olnud 28 aastat, kuid pigem teoreetiliselt. Veealuste sensorvõrkude uu-

rimine andis võimaluse kanda need teadmised reaalsesse ellu. Keskkonda, kus on tema sõnul äärmiselt palju rikkeid ja kus töökindlus on tõsine probleem.

Täpsemalt saab sellest projektist lugeda lehekülgedelt 48–52, kuid Jaan Raik selgitab, et veealused rikked võivad olla väga tõsised ning puhast signaali ja selget tulemust sealt saada on üliraske.

Raiki meeskonna roll koostöös biorobootika keskusega oli teha rikete haldust – kuidas kogu andmehulga pealt mingeid intelligentseid järeldusi teha. Suudeti luua hea süsteem, mis töötas erinevatel tasemetel – sensori tase, sensorgrupi tase ja agregeeritud andmete tase. Nende põhjal suutis ta panna diagnoosi – milline on sensorvõrgu tervislik seisund, millised sensorid on permanentselt katki, millistel on elektrooniline probleem ja millistel füüsiline defekt. Sai ka arvutada, milline on voolu kiirus, kui võtta arvesse vastav defekt. „Positiivne oli see, et me saime Euroopa Usaldusväärsete Süsteemide konverentsil täisartikli – see oli suur saavutus. Koostöö aitas mind tagasi teooria poolele,” räägib Raik. Teema peal töötab Raiki ja akadeemik Maarja Kruusmaa poolt ühiselt juhendatav doktorant Lauri Vihman.

Isetestivad satelliidid ja nutikas biomeditsiinitehnika

Raiki uurimisgrupp panustas tippkeskuses EXCITE väga laia teemade ringi. Esiteks kosmosevaldkonda, milles uurimisgrupi liige dr Vineeth Govind töötas TalTechi satelliidiprojekti tarvis välja uudse tõrkekindla puhvri, mis kiirendas satelliidi pildiandmete ülekandmist. Samuti viidi koostöös akadeemik Tarmo Uustalu gruppi kuuluva professor Jüri Vaini ja ühisjuhendatava doktorandiga läbi uurimisprojekt, mille teemaks oli satelliidi enesetestimine. Sellest koostööst sündis kolm teadusartiklit. Paraku juhtus siin see, mis aeg-ajalt teadusprojektide puhul ette tuleb – doktorant otsustas õpingud katki jätta.

Biomeditsiinitehnika valdkonnas toimus Raiki ja tema teadusgrupi professori Gert Jervani koostöö TalTechi tervisetehnoloogia instituudi professorite Ivo Fridolini ja Maie Bachmanniga, kellega koos juhendati doktorante. Viimastest jõudis 2021. märtsis eduka kaitsmiseni Laura Orgo, kelle dissertatsioon käsitles depressiooni avastamiseks kasutatavate EEG signaali mõõdikute analüüsi.

Lisaks töötas uurimisgrupi vanemteadur dr Tara Ghasempouri koostöös tarkvarateaduse instituudiga välja inimkeele töötluse algoritme küberturvalisuse raportite automaatseks klassifitseerimiseks ja dr Mairo Leier viis läbi koostööd biorobootika keskusega sensorvõrkude vallas.

Tippteadus ei ole Eesti jaoks enam prioriteet

„EXCITE on üks tore erand, aga rahastuse saamise võimalused teaduse tegemiseks on siin riigis tegelikult nullilähedased. Isegi neile, kes on maailmas oma valdkonnas tuntud ja tunnustatud,” räägib Jaan Raik.

Ta meenutab üheksakümnendate keskpaika, kui teaduses oli raha vähe ja inimesed lahkusid. Siis aga kasvasid rahastuse võimalused kiiresti. Eesti sai Euroopas täiesti arvestatavaks teadusjõuks. Viimasel aastakümnel on teaduse finantseerimise vahendid pidevalt kahanenud. „Praegust seisu vaadates näib, et tahes-tahtmata kuivab Eesti teadus kokku. Ühest hetkest muutub finantseerimine juba raha raiskamiseks. Kui jõuame alla mingi kriitilise piiri, siis rahastame teadust oludes, kus tipud on minema läinud ja rahastatav teadus ei ole enam teadus,” maalib Raik pildi. Kui tippteadus ei murra enam tippkonverentsidele ja -ajakirjadesse, siis see pole enam teadus.

Raik jätkab, et me oleme kukkumas alla sellist kriitilist piiri, millest on eriti kahju just seetõttu, et Eesti teadus ja ka selle sees olev IT-teadus on maailmas olnud tegijad. Oleme Ida-Euroopas haruldased. Teatakse meie e-riiki, aga ka meie teadlasi ja teadusgruppe. „Kaotame kriitilise massi teadlastest lähiaastatel. EXCITE on selle juures päikesekiir, aga see üksi ei päästa meie teadust,” tõdeb ta.

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE?

Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5)

Mida peaksid teadma 30-aastane Toomas ja tema tütar, 5-aastane Emma, valdkonna tuleviku kohta? Jaan Raik ütleb neile esmalt, et see on arvutiteaduse puhul väga keeruline küsimus, sest ala muutub sedavõrd kiiresti. Isegi paari aasta tagune teadustöö on täna moraalselt vananenud. Kindlasti on tulevikus arvutite pakutavad võimalused mäekõrguselt üle sellest, mida praegu naudime. Lähematel aastakümnetel võiks Toomas ja ka Emma näha revolutsiooni, mille käigus tekivad uued paradigmad, kuidas arvutid funktsioneerivad. Aastaks 2050 on loodetavasti välja töötatud juba toimiv kvantarvuti. See omakorda hakkab isa ja tütart aitama nii otsingu- kui ka erinevate planeerimisülesannete lahendamisel. Masinõppe ja -nägemise areng toob aga kaasa imepisikesed targad robotid, millest on abi nii meditsiinis kui ka mujal, kus kitsastes ning keerulistes oludes tegutseda tuleb. See, kas Emma saab tulevikus Eestis tippteadlasena tegutseda, on praegu veel küsimärgi all.