ИИ THOR ускорява физиката 400 пъти – тензорни мрежи срещу „проклятието на размерността“

Програмата решава най-трудната физична задача за часове. Въпреки че суперкомпютрите се мъчат със седмици.

Учени от Националната лаборатория в Лос Аламос и Университета на Ню Мексико представиха изкуствен интелект, който се справи с един от най-трудните проблеми на физиката – изчисляването на конфигурационния интеграл. Новият подход се нарича THOR (Tensors for High-dimensional Object Representation) и използва методите на тензорните мрежи, за да реши уравнението, описващо взаимодействието на частиците в даден материал.

Конфигурационният интеграл е в основата на статистическата механика и е пряко свързан с поведението на веществата при натоварване, при високо налягане или по време на фазовите преходи. Тази задача е толкова трудоемка, че дори на суперкомпютрите им трябват седмици, за да я изчислят. THOR намалява това време до часове и дори секунди, като същевременно запазва точността.

Боян Александров, старши изследовател в лабораторията в Лос Аламос, който ръководи проекта, подчертава, че именно изчисляването на конфигурационния интеграл винаги е било тясното място в материалознанието. Той обясни, че прецизното определяне на термодинамичното поведение позволява по-дълбоко разбиране на процесите в металургията и физиката на високите налягания.

За да си представим мащаба на проблема, авторите дават едно своеобразно сравнение: все едно да трябва да се изчислят всички възможни варианти на сглобяване на милиарди кубчета LEGO. Броят на комбинациите нараства толкова бързо, че традиционните методи са безполезни. THOR решава проблема с „проклятието на размерността“, като разбива огромния набор от данни на по-прости взаимосвързани блокове, т.нар. тензорни композиции. В комбинация с алгоритъм за интерполация този метод ускорява работата стотици пъти. В същото време моделът остава също толкова точен, колкото и молекулярно-динамичните симулации, като същевременно е около 400 пъти по-бърз от тях.

Разработката е тествана върху три вещества. За медта стойностите на вътрешната енергия и налягането при висока плътност бяха точно възпроизведени. При аргона изчисленията съвпаднаха с резултатите, получени с помощта на машинното обучение, дори при гигапаскалови налягания. За калая беше възможно да се симулира фазовият преход твърдо тяло-твърдо тяло и да се изгради пълната фазова диаграма само за 5,8 изчислителни часа. За сравнение, предишните методи отнемаха около 2560 часа.

Резултатите имат практическо значение далеч отвъд теорията. Бързите и точни модели ще ускорят търсенето на нови сплави, ще помогнат за създаването на по-надеждни материали за космическата индустрия и ще подпомогнат разработването на решения за чистата енергия и електрониката.

Авторите подчертават, че ако THOR е решил един от най „страшните“ проблеми във физиката, то в бъдеще той може да промени подхода към високоразмерните изчисления и в други дисциплини – от химията и биологията до материалознанието и инженерството.