שבב מחשב חדש המבוסס על מוח חי יכול ללמוד ולזכור

זוג שבבי מחשב קוגניטיביים בהשראת המוח שנחשפו היום יכולים להיות קפיצת מדרגה חדשה - או לפחות מזלג מרכזי - בעולם של ארכיטקטורת מחשבים ובינה מלאכותית.

לפני כשנה, סיפרנו לכם על הפרויקט של IBM למיפוי מעגלים עצביים של מקוק, פרויקט רשתות המוח המורכב ביותר מסוגו. ביג בלו לא עשה את זה רק למען המדע - המטרה הייתה לבצע הנדסה לאחור של רשתות עצביות, לעזור לסלול את הדרך למערכות מחשב קוגניטיביות שיכולות לחשוב ביעילות כמו המוח. עכשיו הם יצרו בדיוק מערכת כזו - שתיים, למעשה - והם קוראים להם שבבים נוירו-סינפטיים.

בנויים על פלטפורמת מוליכים למחצה של 45 ננומטר סיליקון/תחמוצת מתכת, לשני השבבים יש 256 נוירונים. לשבב אחד יש 262,144 סינפסות הניתנות לתכנות והשני מכיל 65,536 סינפסות למידה - שיכולות לזכור וללמוד מהפעולות שלהן. חוקרי IBM השתמשו בליבות המחשוב לניסויים בניווט, ראיית מכונה, זיהוי תבניות, זיכרון אסוציאטיבי וסיווג, אומרת החברה. זהו צעד לקראת הגדרה מחדש של מחשבים כמערכות למידה הוליסטיות ניתנות להתאמה, ולא כמחשבוני כן או לא.

"הארכיטקטורה החדשה הזו מייצגת הסטה קריטית מהמחשבים המסורתיים של היום של פון נוימן ארכיטקטורה חסכונית ביותר בצריכת החשמל", אמרה Dharmendra Modha, מובילת הפרויקט של IBM Research רֵאָיוֹן. "הוא משלב זיכרון עם מעבדים, והוא ביסודו מקביל ומבוזר בצורה מסיבית כמו גם מונע על ידי אירועים, כך שהוא מתחיל להתחרות בתפקוד המוח, הכוח והמרחב של המוח."

אתה יכול לקרוא על ארכיטקטורת פון נוימן כאן, אבל בעצם זו מערכת עם שני פורטלי נתונים, המשותפים להוראות הקלט ונתוני הפלט. זה יוצר צוואר בקבוק שיגביל מהיסוד את מהירות העברת הזיכרון. המערכת של IBM מבטלת את צוואר הבקבוק הזה על ידי הצבת המעגלים לחישוב ואחסון נתונים יחד, מה שמאפשר למערכת לחשב מידע ממספר מקורות בו-זמנית עם יותר יְעִילוּת. כמו גם למוח, לשבבים יש פלסטיות סינפטית, כלומר אזורים מסוימים יכולים להיות מוגדרים מחדש לביצוע משימות שלא הוקצו להן בתחילה.

המטרה ארוכת הטווח של IBM היא לבנות מערכת שבבים עם 10 מיליארד נוירונים ו-100 טריליון סינפסות שצורכת רק קילוואט-שעה אחת של חשמל ומתאימה לקופסת נעליים, אמר מודהא.

הפרויקט ממומן על ידי SyNAPSE של DARPA (מערכות של אלקטרוניקה ניתנת להרחבה מפלסטיק מסתגלת נוירומורפית) יוזמה, ו-IBM בדיוק השלימה את שלבים 0 ו-1. הפרויקט של IBM, הכולל משתפי פעולה מאוניברסיטת קולומביה, אוניברסיטת קורנל, אוניברסיטת קליפורניה-מרסד ואוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון, קיבלו זה עתה עוד 21 מיליון דולר במימון לשלב 2, אמרה החברה.

מדעני מחשבים עובדים כבר זמן מה על מערכות שיכולות לחקות את יכולת המחשוב המקבילה והנמוכה של המוח, והם עשו כמה פריצות דרך. בשנה שעברה, מהנדס המחשבים סטיב פורבר תיאר א רשת מחשבים סינפטית המורכב מעשרות אלפי שבבי סלולר.

הישגי המחשב-מוח הבולטים ביותר היו בתחום של ממריסטורים. כפי שמרמז שמם, נגד זיכרון יכול "לזכור" את ההתנגדות האחרונה שהייתה לו כשהוא זרם זורם דרכו - אז לאחר הפעלת הזרם מחדש, ההתנגדות של המעגל תהיה אותו. לא ננסה להעמיק כאן, אבל זה בעצם הופך את המערכת ליעילה הרבה יותר.

Hewlett-Packard כבר פיתוח ממריסטורים מאז שתיאר אותם לראשונה ב-2008, וגם היה חלק מפרויקט SyNAPSE. באביב האחרון, מהנדסי HP תיארו ממריסטור טיטניום דו חמצני שמשתמש בהספק נמוך.

עבור מערכת מחשב מבוססת מוח, ממריסטורים יכולים לתפקד כאנלוגי מחשב לסינפסה, המאחסנת גם מידע על העברת נתונים קודמת. השבב של יבמ לא משתמש בארכיטקטורת ממריסטור, אבל הוא כן משלב זיכרון עם כוח חישוב - והוא משתמש בתאי עצב ואקסונים של מחשב כדי לעשות זאת. אבני הבניין פשוטות, אבל הארכיטקטורה היא ייחודית, אמר רג'יט מנוהר, דיקן עמית למחקר ולימודי תואר שני בבית הספר להנדסה בקורנל.

"כאשר נוירון משנה את מצבו, המצב שהוא משנה הוא המצב שלו, לא המצב של משהו אחר. אז אתה יכול למקם פיזית את המעגל כדי לבצע את החישוב, ואת המעגל כדי לאחסן את המצב. הם יכולים להיות מאוד קרובים זה לזה, כך ששיתוף הפעולה הופך להיות מאוד יעיל", אמר.

מודהא אמר שזו רק דרך חדשה לאחסן זיכרון.

"קצת זה קצת זה קצת. אתה יכול לאחסן קצת ב-memristor, או בזיכרון לשינוי פאזה, או במתג ננו-אלקטרומכני, או SRAM, או כל צורת זיכרון שתרצה. אבל כשלעצמו, זה לא יוצר ארכיטקטורה שלמה", אמר מודהא. "אין לו יכולת חישובית."

אבל לשבב החדש הזה יש את הכוח הזה, הוא אמר. הוא משלב זיכרון עם יכולת מעבד בפלטפורמת SOI-CMOS טיפוסית, תוך שימוש בטרנזיסטורים מסורתיים בעיצוב חדש. יחד עם זיכרון משולב לעמוד בסינפסות, "הליבה" הנוירוסינפטית משתמשת בטרנזיסטורים טיפוסיים ליכולת קלט-פלט, כלומר נוירונים.

עם זאת, ארכיטקטורה חדשה זו לא תחליף מחשבים מסורתיים. "שניהם יהיו איתנו עוד הרבה זמן, וימשיכו לשרת את האנושות", חזה מודהא.

הרעיון הוא ששבבים רבי עוצמה עתידיים המבוססים על עיצוב רשת מוח זה יוכלו לבלוע ולחשב מידע ממספר כניסות ולהבין הכל - בדיוק כמו שהמוח עושה.

מחשב קוגניטיבי המנטר את האוקיינוסים יוכל לתעד ולחשב משתנים כמו טמפרטורה, גובה גלים ואקוסטיקה, ולהחליט אם להוציא אזהרות צונאמי או הוריקן. לחלופין, מדפי גרבי מכולת יכולים להשתמש בכפפה מיוחדת שמנטרת את הריח, המרקם והראייה כדי לסמן תוצרת מזוהמת, אמר מודהא. מחשבים מודרניים לא יכולים להתמודד עם רמת פירוט כזו מכל כך הרבה תשומות, הוא אמר. אבל המוח שלנו עושה את זה כל הזמן - תופס אפרסק נרקב, וחושי המישוש, הריח והראייה שלך פועלים יחד באופן מיידי כדי לקבוע שהפרי רע.

לשם כך, המוח משתמש באותות חשמליים בין כ-150 טריליון סינפסות, כל זאת תוך כדי לגימת אנרגיה - המוח שלנו זקוק לכ-20 וואט כדי לתפקד. ההבנה כיצד זה עובד היא המפתח לבניית מחשבים מבוססי מוח, וזו הסיבה ש-IBM עבדה עם מדעני מוח כדי לחקור קוף מוחות של חתולים. המחקר הזה מתקדם, אמר מודהא.

אבל יעבור לא מעט זמן עד ששבבי מחשב יוכלו להתאים באמת למעצמות החישוב היעילות במיוחד שהטבע נתן לנו.