Создан уникальный аналоговый чип, имитирующий мозг человека: как он изменит работу ИИ

Технологическая корпорация IBM представила прототип аналогового чипа для искусственного интеллекта, который работает как человеческий мозг. Ученые разместили статью о своем исследовании в журнале Natural electronics.

Что придумали в IBM?

Команда утверждает, что аналоговый 64-ядерный чип позволяет выполнять сложные вычисления в различных задачах глубоких нейронных сетей (ГНС). При умножении 8-битной матрицы ввода-вывода на вектор в четырехфазном (высокоточном) или однофазном (низкоточном) режиме оперативного чтения чип может достигать максимальной пропускной способности 16,1 или 63,1 тераопераций в секунду. секунды при энергоэффективности 2,48 или 9,76 тераопераций в секунду на ватт соответственно.

Как объяснили ученые, аналоговые вычисления в памяти (AIMC) с устройствами резистивной памяти могут уменьшить задержку и энергопотребление при работе нейросетей за счет непосредственного выполнения вычислений в памяти. Другими словами, с их помощью ИИ должен работать на компьютерах быстрее и потреблять меньше электроэнергии. Однако для достижения такого эффекта AIMC необходимо сочетать с цифровыми операциями и связью на кристалле.

Специалисты IBM изготовили интегрированный чип по технологии 14-нм на основе металл-оксид-полупроводника со встроенной памятью с фазовым переходом, который имеет 64 ядра AIMC, соединенных между собой с помощью особой внутренней сети. Он также реализует функции цифровой активации и дополнительную обработку, связанную с отдельными сверточными слоями и модулями памяти.

Заимствуя ключевые особенности того, как нейронные сети работают в биологическом мозге, IBM встроила чип с компактными аналого-цифровыми преобразователями на основе времени в каждое ядро для перехода между аналоговым и цифровым мирами. Каждое ядро также соединено с легкими цифровыми процессорами, которые выполняют простые нелинейные функции активации нейронов и операции масштабирования.

Что изменит открытие?

По мнению ученых, в будущем прототип чипа IBM может заменить современные чипы, поддерживающие сложные системы искусственного интеллекта в компьютерах и телефонах. В середину чипа встроен блок глобальной цифровой обработки, реализующий более сложные операции, критически важные для работы некоторых типов нейронных сетей.

Как объясняет издание Interesting Engineering, с появлением на рынке все большего количества базовых моделей и генеративных инструментов искусственного интеллекта производительность и энергоэффективность традиционных методов вычислений, на которых работают эти модели, находятся на пределе своих возможностей. IBM хочет преодолеть этот разрыв. Компания заявляет, что многие из разрабатываемых сегодня чипов имеют раздвоение памяти и вычислительных блоков, что замедляет вычисления.

"Это означает, что модели ИИ обычно хранятся в отдельной области памяти, а вычислительные задачи требуют постоянного перетасовки данных между памятью и процессорами".

Использование мемристоров сделает новый чип более энергоэффективным, но он все еще будет содержать цифровые элементы. Это упростит внедрение в существующие системы искусственного интеллекта.

В беседе с BBC Танос Василопулос, ученый из исследовательской лаборатории IBM в Швейцарии, сравнил существующие компьютеры с человеческим мозгом и отметил, что тот способен достичь замечательной производительности при небольшом потреблении энергии. По его мнению, высокая энергоэффективность чипа IBM приведет к тому, сложные и объемные задачи смогут выполнять устройства с низким энергопотреблением или даже аккумуляторами, например, в бортовой электронике автомобилей, мобильными телефонами и камерами.

"Кроме того, облачные провайдеры смогут использовать эти чипы для снижения затрат на электроэнергию и сокращения выбросов углекислого газа", — добавил Танос Василопулос.

Разницу между цифровым и аналоговым процессором можно сравнить с разницей между выключателем света и диммером — электронным устройством для регулировки света, предназначенным для изменения электрической мощности.

Большинство чипов являются цифровыми, то есть они хранят информацию в виде нулей и единиц, но новый чип от IBM использует компоненты, называемые "резисторами памяти" (memory resistor) или мемристорами, которые являются аналоговыми и могут хранить определенный диапазон чисел.

Профессор Ферранте Нери из Университета Суррея объяснил BBC, что мемристоры относятся к изобретениям, на которые исследователей вдохновила природа человеческого мозга и его вычислений. Мозг человека — аналоговый, и работа мемристоров аналогична работе его синапсов, они точно так же "запоминают" свою электрическую историю.

"Взаимосвязанные мемристоры могут образовывать сеть, напоминающую биологический мозг", — подчеркнул профессор.

Он с осторожным оптимизмом оценивает перспективы такой технологии и допускает, что достижение IBM может привести к появлению мозгоподобных чипов в ближайшем будущем. В то же время Ферранте Нери предупредил: разработка компьютера на основе мемристоров — непростая задача, и для ее выполнения придется решить еше много проблем, включая стоимость материалов и производственные трудности.

Ранее международная группа ученых нашла способ сделать мозгоподобные чипы мощнее и экономнее. Они заставили протоны совершать множественные фазовые переходы в сегнетоэлектрических материалах