Celluláris hullámszámítógépek és a Simonyi Károly-díj (Zarándy Ákos)

Zarándy ÁkosA mérnök: Zarándy Ákos, aki 2006-ban kollégáival elnyerte a Szilíciumvölgy egyik legrangosabb elismerését, a Mikroprocesszor-díjat is.

Roska Tamás tanítványaként a celluláris hullámszámítógépek fejlesztésén, alkalmazásán kezdett dolgozni, s ez a munka ma is folytatódik. Mitől különlegesek ezek a hullámszámítógépek? 

Egy asztali számítógépben, amellyel például szöveget szerkesztünk, csak egy darab központi processzor van - egyetlen olyan egység, amelyik a műveleteket végrehajtja. A mi számítógépeinkben sok száz, akár több ezer, némelyikben sok tízezer processzor is lehet. Ezek persze jóval egyszerűbbek, kisebbek, mint a PC-k "agya", viszont sok ilyen kis processzornak az együttműködése hatékonyabb, célravezetőbb. Az évek során egyre gyorsabb lett a PC-be beépített processzor, de 2005 után eljutottak oda, hogy a sebesség növelése miatt már 100-150-200 wattot fogyasztott - a hőt pedig el kell vezetni. Ez szabott gátat annak, hogy az "egymagos" PC-processzorok számítási teljesítményét tovább növeljék. Természetesen a nagy számítógépgyártók szintén rájöttek, hogy sok processzort kell egyszerre alkalmazniuk. Most jelenik meg az Intelnek is, az IBM-nek is az a chipje, amelyben már több tucat processzor van. 

A kétfajta gép "filozófiája" azért eltér egymástól. 

Hogyne, azok általános célú számítógépek, a mieink pedig speciális, elsősorban képfeldolgozásra, illetve olyan adatok feldolgozására szolgáló gépek, amelyek képhez hasonló, tehát mátrixban elhelyezkedő, kétdimenziós struktúrát alkotnak. De érdekes, hogy a világ pár éve "nőtte ki" az egyprocesszoros számítógépeket. 

A hullámszámítógépnek az a jellegzetessége, hogy a processzorok egy rácson, a rácspontokban helyezkednek el, és a nagyon sok apró processzor "beszél" egymással, így egy hullám végig tud terjedni a rendszeren: az első processzor szól a másodiknak, az pedig a harmadiknak, és az információ futótűzként halad végig. Innen ered a hullámszámítógép elnevezés. A processzorok másik érdekessége, hogy megjelenik bennük az érzékelő is: minden egyes processzoron több érzékelő lehet. Ha a processzorok mátrixot, tehát rácsot alkotnak, akkor egyszerre rájuk vetíthetünk egy képet, és nagy sebességű látóchipként, képérzékelő chipként viselkednek. A szokásos kamerában a képérzékelő után következik a feldolgozó chip. A mi rendszerünkben - architektúránkban - ugyanazon a chipen zajlik a képérzékelés és a feldolgozás. Tehát a chip a beérkező fényt azonnal jelekké alakítja és fel is dolgozza. 

Mennyiben hasonlít ennek a rendszernek a működése a retináéhoz? 

Az érzékelést és a feldolgozást mindkettő összekapcsolja. A retina azonban nem programozható. Van benne négy-öt processzorréteg, s miután a beérkező fény ezen végighalad, megjelennek a feldolgozott jelek. A retinában egy kis processzor egy-két sejt, tehát néhány mikron méretű, míg a mi processzoraink ennél lényegesen nagyobbak, viszont sokkal gyorsabbak és programozhatók. Úgy is lehet őket programozni, hogy például száz retinaprocesszor helyett végezzenek el műveleteket. Újabban, a mai technológiával már el tudunk érni a retináéhoz közel hasonló méreteket, tehát közelítünk ahhoz, hogy a fovea élességét és számítási teljesítményét visszaadja egy-egy chip. Ez nem jelenti azt, hogy a foveánkat ki tudjuk váltani egy chippel, de azt sem, hogy olyan minőségű képfeldolgozásra vagyunk képesek, mint az ember, mert még nem tudjuk, hogyan működik a látórendszerünk. A számítógépek, különösen a hullámszámítógépek elég gyorsak ahhoz, hogy ki tudják számolni azt, amit az emberi látórendszer "kiszámol", csak még nem tudjuk, mit is kellene pontosan kiszámolni. 

Hogyan lehet átültetni egy látási jelenséget a hullámszámítógép nyelvére? 

Ehhez is a látórendszer működését kell alapul vennünk. A kísérleteket végző biológusok például megvizsgálják a retinák különböző állapotait, abból föltérképezik, milyen kapcsolatban vannak egymással a sejtek, hogyan beszélgetnek, hogyan jut át az egyik hatása a másikra. Föltárják tehát az összeköttetéseket és a jeltovábbításokat, illetve a sejtek reakcióit. A hullámszámítógép mátrixán is ezeket valósítjuk meg. Az utóbbi években nagyon sokat fejlődött a neurobiológia. A 90-es években általában egyetlen sejtből vezettek el jeleket a vizsgálat során. Ma már több sejtből tudják egyszerre elvezetni a jeleket, és - ami nagyon érdekes - ugyanolyan típusú sejteket is könnyen ki tudnak választani. A 90-es években volt egy kollégám Berkeleyben, aki egy egész évet eltöltött egyfajta ganglionsejtek keresésével.  Szurkálta a szalamandraretinát és egy év alatt nagyjából húsz ganglionsejtet talált. Ma módosított génállományú egértörzseket fejlesztenek ki. El lehet érni például, hogy a vizsgálandó retinasejttípus fluoreszcenssé váljon, s így megfelelő hullámhosszú fénnyel megvilágítva "kiviláglik" a többi közül. A mikroszkóp alatt minden századik vagy ötszázadik sejt világít, és emiatt látják, hol helyezkedik el, milyen más sejtekkel van összekötve. Éppen Roska Tamás fia, Botond dolgozik ezen a területen. Most voltam nála Bázelben, nagyon sok érdekes dolgot tapasztaltam. 

A biológiai mérések során előfordul, hogy ha egy adattal nem tudnak semmit sem kezdeni, azt mondják, biztosan rossz volt a mérés. Botond az egyik ilyen adatot - amelyet korábban valószínűleg eldobtak, mert hibásnak tartották - megfejtette. Vizsgálatai szerint az egyik sejt felelős azért, hogy a közeledő tárgyak a retinában vészjelet idéznek elő. Tehát amikor az egérhez közeledik egy sas, egy macska vagy más ragadozó, akkor már a retinájából elindul egy vészjel. Ezt a jelenséget nagyon szépen le lehet játszani azután a hullámszámítógépen is. Éppen ilyen projektet akarunk elindítani Botondékkal. 

Tegyük föl, hogy a hullámszámítógép már modellezi a szem működését. De hogyan kapcsolható hozzá a szemhez? 

Több úton is elindultak azok a kísérletek, amelyek a chipeket igyekeznek hozzákötni a szemhez. Az egyik lehetőség az, hogy egy chipet beültetnek az ember szemébe. Kaliforniában pár éve csúsztattak be először a retina alá chipet. Ezzel legföljebb fényt, árnyékot, vonalakat lehetett felismerni, de betűket már nem, tehát elég kezdetleges volt még az eszköz. Sajnos, négy-öt évbe is beletelik, amíg engedélyezik az emberkísérleteket, de addigra a technológia már elavul. Mi nem is a protézisekkel foglalkozunk. Az említett kaliforniai kísérletet főként orvosokból álló csoport végezte; nem voltak köztük képfeldolgozó szakemberek, akik a retina jeleit követték volna. Az orvosok egyszerűen rákötötték egy kamera képét a protézis bemenetére, és a beteg, aki először pár fénypontot észlelt, fél perc múlva már semmit sem látott. Fél óra pihenés után újra látta a pontokat. Az egyik kollégám, Bálya Dávid és Botond éppen Dél-Kaliforniában járt, s megnézték a kísérletet. Rögtön rájöttek, hogy a képekkel nem a retina fényérzékeny sejtrétegét gerjesztik, hanem egy olyat, amelyik a retina másik végén van, tehát az információ sok feldolgozási lépés után jut el oda. Mivel ezeket a lépéseket már akkor is jól ismertük, Botond és Dávid felvetette, hogy olyan képeket küldjenek a beteg retinájára, amelyek túljutottak a feldolgozáson. Akkorra már elkészült a Bi-i (báj-áj) nevű berendezésünk. Ezzel vették fel a kamera képeit, a Bi-i-ban levő hullámszámítógép-chip azonnal elvégezte a retinamodellezéseket, a kimenetet pedig ráadták a páciens szemprotézisére. A beteg tartósan látott, mert olyan jeleket kapott, amelyeket értelmezni tudott. 

A Bi-i kamera, "Az év terméke" 

Meséljen a Bi-i-ról, hiszen ez lett "Az év terméke" a Vision 2003 kiállításon. 

A 90-es évek végén már egészen jó hullámszámítógép-chipek jelentek meg, és ekkor fölmerült, hogy ezekből ipari látórendszert készíthetünk. Alakult egy cég is, az Analogic Kft., s a SZTAKI-val együttműködve nekiállt kifejleszteni ezt a bizonyos Bi-i kamerát. Ennek a legfőbb jellegzetessége egy nagyon nagy sebességű képfelvevő és feldolgozó hullámszámítógép-chip. A Bi-i valószínűleg azóta is világcsúcstartó kamera, mert vannak ugyan olyan kamerák, amelyek több képet is tudnak rögzíteni egy másodperc alatt, és olyanok is, amelyek nagyobb képekkel dolgoznak, de a Bi-i nemcsak nagy sebességgel veszi fel a képeket, hanem azonnal, két kép felvétele között ki is értékeli őket. 

Mekkora ez a sebesség? 

Akár több tízezer kép/másodperc. Tehát amíg a tv-ben 25-30 képet látunk másodpercenként, addig a Bi-i ezerszer ennyit, 25-30 ezret is fel tud venni, és "mondani" tud róluk valamit. Egyszerű esetben például "szemmel tart" egy területet, és meg tudja ítélni, hogy történt-e változás, bejött-e valaki, átrepült-e rajta valami. A Bi-i kamera meglepetés volt a 2003-as stuttgarti kiállításon, és a díjjal olyan komoly kiállítókat előzött meg, mint a Siemens vagy a Sony. El is indult az alkalmazása. Például a Tungsram - most már General Electric - megkeresett minket, hogy látni szeretnék, hogyan reped végig egy villanykörtének az üvege. 

Újabb lehetőség volt az autólámpa-izzók tesztelése. Ezeket egy nagyfrekvenciás rázópadon gyötrik. Az autó állandóan rázkódik, de az izzóknak ekkor is működniük kell. Így az esetleges selejteket, amelyek csak pár tucat órát bírnának ki, kidobhatják, és a hiba forrását felkutathatják. A gyújtógyertyáknál a szikrák kialakulását, átütését figyeltük meg a kameránkkal. Több megrendelő azonban azt mondta, nem baj, ha kicsit lassabb a Bi-i, de nagyobb képeket dolgozzon föl, például több tv-képernyőnyi képet száz kép/másodperc sebességgel, és ne kicsi képeket tízezer kép/másodperccel. Ez érdekes kihívás, mert erre a bővítésre nem adott lehetőséget az architektúránk. Ezért alaposan át kellett alakítani a rendszert, de az új termékekkel most már megint a piacon vagyunk. 

Miért kérték ezt a változtatást? 

Például azért, mert a mi technológiánknak nagyon kicsi az energiaszükséglete, tehát olyan kis eszközökben is jól használható, amelyek elemről működnek. A kis robotrepülőgépek nagyon csekély terhet szállíthatnak a fedélzetükön, ezért a hasznos teher csak kis energiát vehet fel, nincs hely a nehéz elemek számára. Meg kellett oldanunk, hogy a berendezésünk kis térfogatban kis energiával működjön: a felvétel után azonnal értékelje a képeket és közölje az eredményt. 

Manapság egyre több helyen megjelennek a térfigyelő kamerák. Kezdetben csak felvették és elküldték a képet, aztán vagy értékelték őket, vagy sem. Most arra törekszünk, hogy ezek a kamerák maguk értékeljék ki a képet, és csak akkor "szóljanak" a központba, ha valamiért figyelmet érdemel a látvány. Ehhez megint az szükséges, hogy kis helyen, a készülék melegedésének elkerülése érdekében lehetőleg kis energiával végezzük el a számítást. Például a biztonsági kamerákba beépítettünk egy valós idejű képfeldolgozást és egy jelzőrendszert, amely tudósít a váratlan eseményekről. 

A látványból előállítanak olyan jelet is, amely beavatkozik egy rendszer működésébe? 

Igen. Korábban szó volt a vakok protéziséről, de fontos feladat a vakok segítése is. Szeretném közbevetni, hogy nem akarunk hiú ábrándokat ébreszteni, a valódi protézistől még messze vagyunk. Fejlesztés alatt álló segítő eszközünk hasonlít egy nyakba fölakasztott mobiltelefonhoz, s az a célja, hogy megkönnyítse a vakok életét az otthoni és munkahelyi környezetben - segít megtalálni egy korábban letett tárgyat; vagy segít eligazodni az utcán, ahol előre szól, ha jön egy lépcső, egy gödör, vagy valami szokatlan van az úton, például otthagytak egy kukát. Szól a buszmegállónál, az utcasaroknál, megmondja, merre kellene továbbmenni, leolvassa a megállóba beérkező buszok, villamosok számát és mutatja, hogy jobbra van vagy balra van-e az ajtó. Az eszközök árának csökkenése lehetőséget teremt időseket segítő - a biztonsági kamerához kicsit hasonló - berendezések gyártására. A kamera figyeli, van-e mozgás a lakásban: ha az idős ember ki sem kelt egész nap az ágyából, küld egy telefonüzenetet - vagy akár e-mailben egy képet - egy hozzátartozónak. Az idős emberekkel előfordul, hogy elesnek, és ha csak kétnaponta jár hozzájuk valaki, esetleg későn találnak rájuk. Egy ilyen berendezés segít a baj megelőzésében. Ma már tízezer forint körüli összegre szorítható le az ára. 

Mikor válhat ebből a fejlesztésből termék? 

A technológia készen áll, csak össze kell rakni a berendezést. 

Dolgozik a SZTAKI-ban, egy fejlesztővállalatnál, Berkeleyben - hogyan tudja a különböző helyszíneken folyó munkákat összeegyeztetni? 

Nekem még csak sikerül, a feleségemre azonban nagy teher hárul, mert három gyerekünk van. Reggel, este igyekszem velük lenni, de késő este, amikor elcsendesedik a család, gyakran még folytatnom kell a munkát. A Berkeley-beli kollégákkal is ilyenkor lehet beszélni a 9 órás időeltolódás miatt. Néha persze utazni kell: egy-két hetes útra a család nélkül megyek, de tartós kiküldetésekre együtt utazunk. 

  

/Forrás: Silberer Vera, Természet Világa/