Створено унікальний аналоговий чип, що імітує мозок людини: як він змінить роботу ШІ

Технологічна корпорація IBM представила прототип аналогового чипа для штучного інтелекту, який працює як людський мозок. Вчені розмістили статтю про своє дослідження в журналі Natural electronics.

Що придумали в IBM?

Команда стверджує, що аналоговий 64-ядерний чип дає змогу виконувати складні обчислення в різних завданнях глибоких нейронних мереж (ГНС). При множенні 8-бітної матриці введення-виведення на вектор у чотирифазному (високоточному) або однофазному (низькоточному) режимі оперативного читання чип може досягати максимальної пропускної спроможності 16,1 або 63,1 тераоперацій за секунду за секунду за енергоефективності 2,48 або 9,76 тераоперацій за секунду на ват відповідно.

Як пояснили вчені, аналогові обчислення в пам'яті (AIMC) з пристроями резистивної пам'яті можуть зменшити затримку й енергоспоживання під час роботи нейромереж шляхом безпосереднього виконання обчислень у пам'яті. Інакше кажучи, з їхньою допомогою ШІ має працювати на комп'ютерах швидше і споживати менше електроенергії. Однак для досягнення такого ефекту AIMC необхідно поєднувати з цифровими операціями і зв'язком на кристалі.

Фахівці IBM виготовили інтегрований чип за технологією 14-нм на основі метал-оксид-напівпровідника з вбудованою пам'яттю з фазовим переходом, що має 64 ядра AIMC, які з'єднані між собою за допомогою особливої внутрішньої мережі. Він також реалізує функції цифрової активації та додаткове опрацювання, пов'язане з окремими згортковими шарами та модулями пам'яті.

Запозичуючи ключові особливості того, як нейронні мережі працюють у біологічному мозку, IBM вбудувала чип із компактними аналого-цифровими перетворювачами на основі часу в кожне ядро для переходу між аналоговим і цифровим світами. Кожне ядро також з'єднане з легкими цифровими процесорами, які виконують прості нелінійні функції активації нейронів і операції масштабування.

Що змінить відкриття?

На думку вчених, у майбутньому прототип чипа IBM може замінити сучасні чипи, що підтримують складні системи штучного інтелекту в комп'ютерах і телефонах. У середину чипа вбудовано блок глобальної цифрової обробки, що реалізує складніші операції, критично важливі для роботи деяких типів нейронних мереж.

Як пояснює видання Interesting Engineering, з появою на ринку дедалі більшої кількості базових моделей і генеративних інструментів штучного інтелекту продуктивність і енергоефективність традиційних методів обчислень, на яких працюють ці моделі, перебувають на межі своїх можливостей. IBM хоче подолати цей розрив. Компанія заявляє, що багато чипів, які розробляють сьогодні, мають роздвоєння пам'яті та обчислювальних блоків, що уповільнює обчислення.

"Це означає, що моделі ШІ зазвичай зберігаються в окремій ділянці пам'яті, а обчислювальні задачі вимагають постійного перетасування даних між пам'яттю і процесорами".

Використання мемристорів зробить новий чип більш енергоефективним, але він все ще міститиме цифрові елементи. Це спростить впровадження в наявні системи штучного інтелекту.

У бесіді з BBC Танос Васілопулос, науковець із дослідницької лабораторії IBM у Швейцарії, порівняв наявні комп'ютери з людським мозком та зауважив, що той здатний досягти чудової продуктивності при невеликому споживанні енергії. На його думку, висока енергоефективність чипа IBM призведе до того, що складні та об'ємні завдання зможуть виконувати пристрої з низьким енергоспоживанням або навіть акумуляторами, наприклад, у бортовій електроніці автомобілів, мобільними телефонами та камерами.

"Крім того, хмарні провайдери зможуть використовувати ці чипи для зниження витрат на електроенергію і скорочення викидів вуглекислого газу", — додав Танос Васілопулос.

Різницю між цифровим і аналоговим процесором можна порівняти з різницею між вимикачем світла і димером — електронним пристроєм для регулювання світла, призначеним для зміни електричної потужності.

Більшість чипів є цифровими, тобто вони зберігають інформацію у вигляді нулів та одиниць, але новий чип від IBM використовує компоненти, які називаються "резисторами пам'яті" (memory resistor) або мемристорами, що є аналоговими і можуть зберігати певний діапазон чисел.

Професор Ферранте Нері з Університету Суррея пояснив BBC, що мемристори належать до винаходів, на які дослідників надихнула природа людського мозку та його обчислень. Мозок людини — аналоговий, і робота мемристорів аналогічна до роботи його синапсів, вони так само "запам'ятовують" свою електричну історію.

"Взаємопов'язані мемристори можуть утворювати мережу, що нагадує біологічний мозок", — підкреслив професор.

Він з обережним оптимізмом оцінює перспективи такої технології і припускає, що досягнення IBM може призвести до появи мозкоподібних чипів у найближчому майбутньому. Водночас Ферранте Нері попередив: розробка комп'ютера на основі мемристорів — непросте завдання, і для його виконання доведеться вирішити ще багато проблем, включно з вартістю матеріалів і виробничими труднощами.

Раніше міжнародна група вчених знайшла спосіб зробити мозкоподібні чипи потужнішими й економнішими. Вони змусили протони здійснювати множинні фазові переходи в сегнетоелектричних матеріалах