יבמ חשפה שבב שפועל באופן דומה למוח אנושי

יבמ (IBM) חשפה שבב מחשב שפועל באופן שדומה לפעילות המוח האנושי. גודל השבב הוא כשל בול, והוא בעל יכולת עיבוד כמויות מידע גדולות וטיפול בפקודות מכמה מקורות שונים.

הודעת הענק הכחול על השבב החדש באה חודש לאחר שהיא הודיעה כי תשקיע בחמש השנים הקרובות שלושה מיליארד דולר במחקר ופיתוח של שבבים. ביבמ מקווים למצוא דרכים חדשות למזעור של שבבי סיליקון ולצמצום צריכת החשמל שלהם.

השבב החדש נחשף אחרי כמעט עשור של מחקר והוא מנסה לגשר על הפער בין המחשבים הקיימים ליכולות הקוגניטיביות הגבוהות של המוח וצריכת האנרגיה הנמוכה.

הוא פועל בארכיטקטורה נוירונית, עם מיליון נוירונים ו-256 מיליון סינפסות הניתנות לתכנות. השבב מכיל 5.4 מיליארד טרנזיסטורים והוא הראשון בעולם שבנוי בקנה מידה שניתן לייצור סדרתי – ואחד משבבי ה- CMOS הגדולים ביותר שנבנו אי פעם. למרות ביצועים גבוהים אלה, צריכת הזרם של השבב היא רק 70 מילי-ואט, בעבודה מלאה ובחישובים בזמן אמת. מדובר בנתונים הנמוכים בכמה וכמה סדרי גודל בהשוואה למיקרו-מעבדים מקובלים.

השבב הקוגניטיבי החדש כולל רשת דו-ממדית של 4,096 ליבות עיבוד נוירו-סינפטיות, שכל אחת מהן משלבת זיכרון, כושר עיבוד ויכולת תקשורת – ופועלת במתכונת מונחית-אירועים מוגדרים, מקבילים, וביכולות אל-כשל. על מנת לאפשר הרחבה של המערכת מעבר לגבולות השבב הבודד ניתן לצרף שבבים נוספים הקשורים זה לזה באופן שקוף, במטרה לבנות תשתית למחשבי על עתידיים המבוססים על נוירו-סינפטות. השבב יוצר בטכנולוגיית 28 ננומטר של סמסונג (Samsung), שמאפשרת צפיפות גבוהה של זיכרון על גבי השבב ושילוב טרנזיסטורים שמאופיינים ברמה נמוכה במיוחד של דליפת זרם.

השוואה בין יכולות העיבוד וצריכת האנרגיה של המוח האנושי לאלה של מחשבים מקובלים לא מחמיאה לטכנולוגיה עליה מבוסס עולם המיחשוב. על מנת לגשר על פערי הביצועים, בנו המדענים של יבמ מערכת שלא הייתה קיימת עד כה: ארכיטקטורת מחשב חדשה לחלוטין ששואבת השראה מעולם מדעי המוח, ומציעה טווח מדרוג ורמת יעילות גבוהה משמעותית מזו של הארכיטקטורה שהגה פון ניומן ב-1946, ששימשה עד כה בסיס לעולם המיחשוב.

על פי הענק הכחול, "אנחנו מניחים כאן יסודות לעולם חדש לחלוטין של מחשבים, ששואבים השראה ממבנה המוח ואופן הפעולה שלו. אנחנו עושים זאת בעזרת ארכיטקטורה חדשה לגמרי, קנה מידה וטווח הרחבה שלא היו מוכרים בעבר, יעילות שאין לה מקבילה ידועה בכל הנוגע לצריכת הזרם ומהירות העיבוד, ושיפור טכנולוגיות התכנון ברמת השבב".

ביבמ מעריכים כי "השבבים החדשים יאפשרו לבנות דורות חדשים של מערכות מידע והצגתם מהווה נקודת מפנה בהיסטוריה של עולם המיחשוב".

צריכת זרם נמוכה פי ארבעה
סוכנות המחקר הביטחוני המתקדם של ארצות הברית (DARPA) השקיעה עד כה בפרויקט כ-53 מיליון דולר, במסגרת תוכנית "מערכות אלקטרוניקה במורפולוגיה נוירונית בעלות כושר מדרוג והסתגלות פלאסטית". כמו כן, שותפות בפרויקט Cornell Tech ו-IniLabs.

תכנון המעגלים מונחי האירועים המשולבים בשבבים החדשים נשען על מתודולגיית תכנון א-סינכרוני שפותחה ב-Cornell Tech ושוכללה עם יבמ מאז 2008. שילוב תהליכים וטכנולוגיות מתקדמות יחד עם הארכיטקטורה החדשה והייחודית הובילו לצפיפות גבוהה ולצריכת זרם של 20 מילי-ואט לסנטימטר רבוע – כמעט ארבעה סדרי גודל (אחד חלקי עשרת אלפים) פחות מהמיקרו-מעבדים המוכרים כיום בתעשייה.

השבב החדש נשען על סביבת אקולוגית מקיפה, שכוללת סימולטור, תפיסת תכנות, אלגוריתמיקה ויישומים, מודלים לעיצוב אבות טיפוס, מפרט של הרכיבים הנוירונים והנחיות בתחום מיחשוב העל שניתן ליישם על גבי השבבים החדשים. הסביבה האקולוגית המקיפה הזאת תומכת בכל היבטי מחזור חיי התכנות – משלב התכנון והעיצוב המוקדם דרך הפיתוח ועד לניפוי שגיאות, התקנת היישום והפעלתו. על מנת לקדם את הטכנולוגיה החדשה הגתה יבמ תוכנית לימודים מקיפה המיועדת לאוניברסיטאות, לקוחות, שותפים עסקיים ועובדי החברה.

מדובר במהלך שמיועד לקרב את תהליכי העיבוד אל הנתונים עצמם. כך, למשל, אפשר יהיה לקלוט כמויות עתק של נתונים מחיישנים, לנתח אותם ולשלב מידע בזמן אמת במתכונת תלוית הקשר. כן אפשר יהיה להתמודד עם חוסר הבהירות המאפיין לא פעם מערכות מורכבות שפועלות בזמן אמת בעולם הפיזי. המערכת מתאימה להתמודדות עם מגוון רחב של בעיות, החל מראייה ממוחשבת דרך שילוב נתונים ממספר גדול של חיישנים ומקורות, ועד לשילוב בינה השואבת השראה מאופן הפעולה של המוח האנושי לתוך מכשירים הפועלים במסגרת אילוצי צריכת זרם, כמות נתונים ומהירות.

במבט לעתיד, יבמ מפתחת בימים אלה מחשבי על באמצעות שילוב מספר גדול של שבבים על גבי לוח אחד ויצירת מערכות שיוכלו לצמוח להיקפים של 100 מיליארד סינפסות ויותר. הארכיטקטורה החדשה מתוכננת על מנת לנצל גם יכולות טכנולוגיות עתידיות, דוגמת מבנה שבבים תלת מימדי ולוגיקות חדשניות שיאפשרו לצמצם עוד יותר את צריכת הזרם, לדחוס רכיבים למארז צפוף יותר ולהציג מהירויות גבוהות יותר.

המקבילה הסיליקונית של המוח
מחשבים קוגניטיביים, שייבנו סביב השבבים האלה, לא יתוכנתו באותה דרך מסורתית המוכרת כיום בעולם מערכות המידע. במקום תכנות כזה, הם צפויים ללמוד מהניסיון, לזהות הקשרים ומתאמים (קורלציות), להציג השערות, לזכור ללמוד ולהפיק לקחים מהתוצאות. למעשה, מחקה התהליך הזה את אופן העבודה של המוח האנושי ואת תהליכי הלמידה המוכרים לנו.

המטרה ארוכת הטווח אליה חותרת יבמ היא לבנות מערכת שבבים שתכלול 10 מיליארד נוירונים ומאות מיליוני סינפסות, תצרך רק קילו-ואט בודד של חשמל ותהיה בעלת נפח כולל של פחות משני ליטר.

שבבים עתידיים יוכלו לעבד נתונים מסביבות מורכבות המאפיינות את העולם האמיתי באמצעות מגוון רחב של חיישנים – ולפעול בדרכים שונות על מנת להגיע למתכונת תגובה מתואמת ותלוית הקשר.