הסיליקון בעקבות המוח האנושי: יבמ חושפת שבבי מחשב קוגניטיביים

ליבות עיבוד חדשות של יבמ משלבות "נוירונים" ו"סינאפסות" דיגיטאליות – למערכת מחשוב בעלת כושר לימוד עצמי שאינה דורשת תכנות מוקדם

יבמ חושפת דור חדש של שבבי מחשב ניסיוניים, המחקים את יכולות התפיסה של המוח האנושי, דרכי הפעולה שלו ותהליכי התודעה. הטכנולוגיה החדשה של יבמ עשויה לאפשר בניית מערכות שיצרכו סדרי גודל נמוכים עשרות מונים, של חשמל ושל מקום – בהשוואה למחשבים המוכרים לנו כיום.

שבבי העיבוד הנוירו-סינאפטי החדשים של יבמ מהווים סטייה חדה מהתפיסות המסורתיות של תכנון ובניית מערכות מחשב. השבבים החדשים יוצרים מקבילה אלקטרונית לפעולת הנוירונים והסינאפסות במערכות ביולוגיות דוגמת המוח. ההקבלה הזאת מתאפשרת בזכות השימוש באלגוריתמים מתוחכמים ובמעגלי סיליקון בתכנון חדש. שני אבות-טיפוס חדשים לשבבים כאלה כבר יוצרו בפועל, ומצויים עתה בתהליכי בדיקות.

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

על מנת לעמוד במשימות האלה, משלבים החוקרים והמפתחים של יבמ עקרונות מעולם הנאנו-טכנולוגיה, חקר המוח ומחשוב-על. הפרוייקט ממומן בחלקו גם ממענק חדש של DARPA – גוף המחקר של מערכת הביטחון האמריקאית – למערכת אלקטרוניקה ניתנת למידרוג במורפולוגיה עצבית בעלת כושר הסתגלות עצמי (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics – SyNAPSE).

פרוייקט SyNAPSE מיועד לבנות מערכת המסוגלת לא רק לנתח מידע מורכב המתקבל ממספר גדול של יחידות חיישנים ומקורות חיצוניים – אלא גם לארגן באופן דינאמי את מסלולי החיווט הפנימי שלה, על בסיס האינטראקציה עם הסביבה, בתהליכים המקבילים לאלה שבו מצליח המוח ללמוד ולשנות דפוסי התנהגות תוך שימוש ברמה נמוכה של אנרגיה.

הפרוייקט הנוכחי צועד הרחק מעבר לתפיסה שהתווה פון ניומן, השולטת בחמישים השנים האחרונות בעולם המחשוב. יישומי מחשוב עתידיים צפויים לדרוש גמישות פונקציונאלית שאינה מוצעת במערכות מסורתיות המוכרות לנו. השבבים החדשים מהווים צעד חשוב בהתפתחות המחשבים ממערכות חישוב – למערכות לומדות. הם מבשרים את ראשיתו של דור חדש של מחשבים – ויישומים חדשים של המחשבים האלה בעולם העסקים, המדע והממשל.
למרות שהשבבים החדשים אינם משלבים רכיבים ביולוגיים, משתמשים אבות הטיפוס של המעבדים הקוגניטיביים של יבמ במעגלי סיליקון השואבים השראה מעולם חקר המוח. כך, אפשר לבנות מה שמכונה ביבמ "ליבה נוירו-סינאפטית". זו, כוללת זיכרון משולב המקביל לזה שבסינאפסות במוח האנושי, יחד עם כושר עיבוד המקביל לזה של הנוירונים, ותקשורת המקבילה לזו של האקסונים במוח.

יבמ מפעילה כבר כיום שני אבות-טיפוס של ליבות עיבוד כאלה. שתי הליבות מיוצרות בטכנולוגיית סיליקון על גבי מבודד, בהפרדה של 0.45 מיקרון, ומכילות כל אחת 256 נוירונים. אחת הליבות מציעה 262,144 סינאפסות ניתנות לתכנות, והשניה 65,536 סינאפסות בעלות כושר לימוד. צוות הפיתוח של יבמ כבר הדגים בהצלחה יישומים פשוטים הפועלים על גבי הליבות האלה, דוגמת ניווט, ראיית-מכונה, זיהוי דפוסים אחידים, זיכרון אסוציאטיבי ומיון לקבוצות.
ארכיטקטורת המחשוב הקוגניטיבי של יבמ נשענת על רשת ליבות הפועלות על גבי שבב בודד, על מנת ליצור מערכת משולבת אחת של חומרה ותוכנה. הארכיטקטורה הזאת מהווה שינוי מהותי מתפיסות המחשוב המסורתיות, הצפוי להוליד מכונות יעילות יותר בכל הנוגע לצריכת החשמל – וללא צורך בתכנות מוקדם. השילוב בין הזיכרון ובין המעבד ברמת הליבה הבדדת מחקה למעשה את אופן החשיבה במוח, המונחית על ידי אירועים וקלט חיצוני, ומתבצעת בתהליך מבוזר ומקבילי.

המטרה ארוכת הטווח אליה חותרת יבמ, היא לבנות מערכת שבבים שתכלול עשרה מיליארד נוירונים ומאות מיליוני סינאפסות – ותצרוך רק קילו-ואט בודד של חשמל, ונפח כולל של פחות משני ליטר.

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

כך, למשל, ידעו מערכות קוגניטיביות המנטרות נתוני אקלים לצורך תכנון אספקת מים לטווח ארוך לנתח את הנתונים המתקבלים מהשטח לגבי טמפרטורה, לחץ ברומטרי, משתני גאות ושפל – ולחזות את השינויים במשקעים ואת צורכי מערכות המים מצד אחד, כמו גם להפיק התראות צונאמי מצד שני. בדומה לכך, יוכלו רמזורים לנטר את נתוני התנועה בצומת על מנת להתאים את מחזורי הפעילות שלהם לעומסים בפועל, ולכוונן עצמם שוב ושוב עם כל שינוי בתנועה.