Kognitiivelektroonika on elektroonika tulevik

Euroopa Liit on suunanud tähelepanuväärse rahaeraldise Eesti teaduslabori tulevikutehnoloogiasse.

MARGUS MAIDLA

Mis juhtub, kui kokku saavad Eestis tehtav tipptasemel elektroonikateadus ja Euroopa Liidu raha? Tulemuseks on Tallinna tehnikaülikooli kognitiivelektroonika tuumik-teaduslabor, mille loomiseks eraldas Euroopa Liit ERA Chair-programmist 2,5 miljonit eurot. Riigi institutsioonid peavad juurde leidma veel 0,5 miljonit eurot omafinantseeringut, seega on rakendusteadusliku grandi kogumaht kolm miljonit eurot.

Üks kognitiivelektroonika tuumik­labori grandi põhitäitja on professor Mart Min, grandi vastutav täitja on Tallinna tehnikaülikooli infotehnoloogia teaduskonna Thomas Johann Seebecki elektroonikainstituudi direktor ning siduselektroonika õppetooli professor Toomas Rang.

Tunnetuslik elektroonika

Eesti keele seletav sõnaraamat annab sõnale „kognitiivne“ vaste ’tunnetuslik’. Seega tuleb juttu tunnetuslikust elektroonikast, mille juured ulatuvad sügavale ja kaugele.

Isaac Newtoni aksioomi järgi asuvad teaduses kõik uued arusaamad, avastused, metoodikad hiiglase õlgadel ehk varasematel avastustel ja teadustöödel. Ma ei kasutanud eelmises lauses juhuslikult sõna „metoodika“, sest kognitiiv­elektroonika ongi just nimelt (uus) metoodiline käsitus meid ümbritsevatest ja ka meid teenindavatest elektroonikasüsteemidest.

Alustada tuleb Norbert Wienerist, kellele omistatakse termini küberneetika (cybernetics) kasutuselevõtt. Eelmise sajandi keskel, mil selle põhiprintsiibid said kirja pandud, oli vaieldamatult tegu läbimurdelise ja revolutsioonilise mõtlemisega. Küberneetika alusprintsiipidel rajaneb meie arvutiteadus. Kui tuua välja üks Wieneri küberneetika komplekssüsteemi alalõike, mille kasutuselevõtt omistatakse Wienerile, siis selleks on „tagasisidestatus“. Tähtis ei ole pelgalt kuskilt mikroprotsessorist välja läinud impulss, vaid ka selle impulsi toime tagasiside ja edasine, mida osatakse selle tagasiside kaudu saadud toimeimpulsiga peale hakata.

Edasi peame rääkima sellisest terminist nagu sardsüsteemid (embedded systems), rahvaentsüklopeedia Vikipeedia annab sellele ka sünonüümi: manussüsteemid.

Lihtsustatult, kui (mikro)protsessoritel põhinev elektroonika võttis personaalarvuti kuju, hakkasid spetsiaalselt selleks väljatöötatud protsessorid levima ka meid ümbritsevatesse teistesse seadmetesse, nii et me ei pruukinud ise seda näha ega otseselt kokku puutuda. Sardsüsteemil on paar alustingimust, näiteks see, et see suhtleb välismaailmaga ja on osa suuremast süsteemist. Hea näide on moodne auto, mille töö toetub mikrokiipidele, paljudel juhtudel saavad need kiipprotsessorid üksteisest aru ja kogu süsteem suhtleb ka neist väljapoole jääva maailmaga. Kui lähete autoteenindusse, tehakse süsteemianalüüs spetsiaalse programmiga ning sõlmed annavad teada oma korrasolekust või mittekorrasolekust.

Et selgitada kognitiivelektroonika paradigmat, peame rääkima pärsia päritolu California ülikooli arvutiteaduse professorist Lotfi A. Zadehist ja tema hägusloogika terminist (fuzzy logic). Hägusloogikal rajaneb hägustehnoloogia (fuzzy technology). Hägusloogika kirjeldamisel või sellest arusaamisel on vaja mõista, et nimetus ei tulene mitte sellest, et kokku on kogutud üksteisega sobimatuid eklektilisi protsesse, mis seetõttu töötavad ise hägusalt, vaid hägusloogika põhimõte tugineb mittelineaarsuse kirjeldamisele, täpsemalt, katsele kirjeldada seda sirgjooneliselt määratlematut mittelineaarsust kogemuslike algoritmidega, samal ajal kui süsteemi eraldi osised tegutsevad ühtsena ja kompleksselt, mitte ei ole süsteemis juhuslikult.

1970ndatel hakkas hägusloogika teooria vähikäiku tegema, sest ranget distsipliini pidavatele matemaatikutele ei andnud rahu, et looduses ja tehnoloogias on midagi, mida ei ole võimalik selgete algoritmidega matemaatiliselt kirjeldada. Õnneks see aeg möödus ja nüüd võib julgelt öelda, et hägusloogika areneb jõudsalt. Ilmunud on koguni selline mõiste nagu pehmed arvutused (soft computing). Nagu esmalt mainisin, tugineb hägusloogikale mittelineaarne dünaamika ja tehnoloogia või vastupidi. Paradoksaalselt on meid ümbritseva mittelineaarsuse kohta öelnud parima mõtte arhitekt, mitte füüsik ega matemaatik, ja selleks on kuulus Austria päritolu arhitekt Friedensreich Hundertwasser, kes küsimusele, miks ta naljaka joone ja geomeetriaga hooneid projekteerib, vastas: „Looduses sirgjoont ei eksisteeri.“ Tegelikult ei ole ka täisnurka, absoluutset ringi ega täiuslikku korrapärast hulknurka. Näiteks XX sajandi füüsika alusteooriatest on mittelineaarsusega kirjeldatav kvantfüüsika, Newtoni mitu sajandit varem kirjeldatud mehhaanika on suuresti lineaarne, mittelineaarseks lähevad mehaanikaseadused siis, kui hakatakse jõudma valguse kiiruse või siis vastupidi, subatomaarsele tasemele.

Eesti dimensioon

Tõenäoliselt üheks tähelepanuväärsemaks teadusajalooliseks sündmuseks käsitletava teema kontekstis on eelmise sajandi teisel poolel (alustas tööd 1. septembril 1960) Nikolai Alumäe initsiatiivil asutatud küberneetika instituut, mis oma kontseptsioonilt oli kogu Ida-Euroopas ainulaadne. Instituudi asutamise ja varasema perioodi juhtimise puhul ei saa mainimata jätta ka Boris Tamme nime.

Instituut andis suure tõuke automaatika, juhtimissüsteemide, hiljem infotehnoloogia ja arvutiteaduse arengule. Eesti infotehnoloogia rahvusvahelist edulugu võib vabalt alustada just küberneetika instituudi asutamisest, kuigi ka sellel on loomulikult eellugu ning samuti ei ole vähetähtis Tartu ülikooli toonaste teadlaste panus.

Tööstusprotsesside automatiseerimise teadusrühma juhtis Raul Tavast, kelle juures arenes välja terve plejaad silmapaistvaid teadlasi. Üks juhtivaid teadlasi sardsüsteemide valdkonnas on akadeemik Leo Mõtus, kes on TTÜ reaalajasüsteemide õppetooli professor. Ta tegeleb tehissüsteemide ise­organiseerumisvõime uurimisega. Teine tähtis mees on kahtlemata akadeemik Jüri Engel­brecht, kes on juhtinud mittelineaarsete protsesside analüüsi keskuse nimelist teaduse tippkeskust.

Nüüd jõuame teadusajaloolise eellooga lähemale konkreetsele teemale ja peame rääkima sellisest spektroskoopia liigist nagu impedantsspektroskoopia, mille alusuuringuid ja rakendusi on kaua juhtinud professor Mart Min. Tema üks tähelepanuväärsemaid alus- ja ka rakendusuuringute suundi on südame­stimulaatorid. Just südamestimulaatorite töö rajaneb hägusloogikal ja hägustehnoloogial. Peab ju südame juurde integreeritud tehissüsteem kõigepealt ära tundma, defineerima ja siis adapteeruma vastavalt tagasidestatud impulsile, mis ei ole rangelt ja lineaarselt matemaatilise algoritmiga kirjeldatav.

Mainimata ei saa jätta viimase aja popterminit tehisintellekt (artificial intelligence), mille isaks on Alan M. Turing (1912–1954). Eestis on selles vallas esmauuringuid teinud akadeemik Enn Tõugu. Tehisintellektil on kõik hajusloogikal ja mittelineaarsusel ning tagasisidestatud impulsi mõtestamise ja sellele adapteerumise tunnused, kuid tavapäraselt mõistame tehisintellekti all mõneti suuremat ja laiemat paradigmat, metafüüsilist konstruktsiooni või narratiivi.

Tulevikuelektroonika lahendused

Mis see kognitiivelektroonika tuumiklabor siis ikkagi on? Tsitaat teadusgrandi annotatsioonist: „Euroopa Liit seisab silmitsi erinevate sotsiaalse, majanduslike ning keskkonnast tingitud väljakutsetega, mille lahendamise edukuse määrab panustamine erinevatesse info- ja kommunikatsioonitehnoloogia alastesse lahendustesse, nagu näiteks nutikad sensorvõrgud (WSN), raadiosageduslik indentifitseerimine (RFID) ja lähiväljade side (NFC), asjade internet (IoT) jne. Samaaegselt on tugevas tõusutrendis ja aina tähtsamat positsiooni hõivamas nutikate, energiatarbelt efektiivsete ning usaldusväärsete ja töökindlate elektroonsete süsteemide ja komponentide loomine ja rakendamine ehk teisisõnu tulevikuelektroonika lahendustes peavad kognitiivsed funktsioonid olema sügavalt integreeritud loodud lahendustesse.“*

Seega, kognitiivelektroonika on sardsüsteemidel rajanev elektrooniline süsteem, mis töötab hägusloogika printsiibil, on sensorsüsteemidega tagasisidestatud, sünteesib ja adapteerib informatsiooni, toimib mitte­lineaarse dünaamika kriteeriumide alusel ja sel on ühisjooni tehisintellekti käitumisega, kuid terviksüsteemina on oma olemuselt meid teenindava praktilise elektroonika osa.

Kognitiivelektroonika on see, millel rajaneb päris kindlasti enamik, kui mitte kõik, tuleviku elektroonikasüsteemidest. Lihtsad iseseisvad, lokaalselt tegutsevad elektroonikaseadmed kattuvad ajalootolmuga, näiteks nagu on juhtunud analoogtelefonide ja arvelaudadega.

* https://www.etis.ee/Portal/Projects/Display/03a149cb-e0e5-418b-b01d-1b8980d12cc5