Нейроморфные чипы и компьютеры, которые работают как наш мозг

В последние годы прогресс в области методов машинного обучения зашёл очень далеко, а вот компьютерные чипы остались на месте.

Да, постепенно процессоры становятся компактнее и мощнее, но принцип их действия остался тем же, что был 20 лет назад.

Чтобы исправить это, производители модифицируют существующие микросхемы, чтобы те лучше соответствовали новым требованиям.

Но самый радикальный подход - создание принципиально новых процессоров.

На этой неделе ученые из Массачусетского технологического института сделали заявление. Они рассказали, что добились значительного прогресса в выведении этой новой прекрасной породы чипов.

Создатели рассказали, что вдохновлялись человеческим мозгом при создании машины. Главный орган тела человека имеет невероятную вычислительную мощность, потребляя при этом всего 20 ватт энергии.

Материалы исследования опубликованы в журнале Nature Materials.  

Что такое «нейроморфные чипы»?

Новая архитектура должна улучшить ключевые характеристики центрального процессора.

Основные элементы химического синапса (нейрона, клетки мозга).

Например, такой компьютер быстрее решает задачи с помощью машинного обучения, причём делает он это с большей энергоэффективностью (потребление энергии в 1000 раз меньше по сравнению с существующими моделями).

Машинное обучение даёт больше возможностей, таких как распознавание голоса или изображений.

Как это работает?

Чтобы понять, что именно придумали инженеры из политеха, нужно больше узнать о «нейроморфных чипах».

Ключевое различие между новыми процессорами и теми, что в наших компьютерах - внутренняя конструкция, компоновка вычислительных элементов.

Архитектура определяет метод вычислений, который процессор использует, чтобы решать задачи.

Современные компьютеры организованы согласно так называемой архитектуре фон Неймана. Эта логическая модель хорошо подходит для решения уравнений и запуска различных алгоритмов, но малопригодна для обработки изображений или звука.

Если посмотреть на структуру нейроморфного чипа, то он состоит из слоёв электронных синапсов, сложенных их полупроводниковых материалов - кремния и германия.

Группа таких чипов формирует искусственную нейронную сеть.

   (a) Обычный 2D-массив для электрической нейросети, где каждый синапс находится на пересечение проводящих линий пре-нейрона и пост-нейрона. (b) Электрическая схема концепта с синапсами на основе устройства с переключаемым сопротивлением (resistive switching device). (с) Максимально компактная схема расположения синапсов (high-density application). (d) Схема расположения синапсов для вычислений с максимальной точностью (high-accuracy computation). (e) TEM-изображение поперечного среза полученного электрического синапса.

Ноли и единицы

Вообще, компьютеры работают по принципу нулей и единиц - бинарная (двоичная) система, в которой один бит информации содержит один разряд (1 - есть ток, 0 - нет тока).

Отсюда следует, что процессор в вашем компьютере решает задачи, оперируют данными цифровым способом. 

Нейроморфные чипы действуют иначе - аналоговым способом. Это значит, что вместо включений/выключений тока, такие чипы просто меняют его силу -  так же, как синапсы головного мозга.

Короче, цифровые нейроны крутят регулятор мощности вместо того, чтобы «отбивать» морзянку.

Несмотря на первые успехи, инженеры только в начале пути по созданию демонстратора технологии.