יבמ חושפת שבב בארכיטקטורה נוירונית

יבמ חושפת שבב בארכיטקטורה נוירונית: מיליון נוירונים ו- 256 מיליון סינפסות – בצריכת זרם של 70 מילי-ואט בלבד

יבמ חושפת שבב המשלב נוירונים וסינפסות דיגיטליות, ומציע – לראשונה – 256 מיליון סינפסות ניתנות לתכנות. השבב, המכיל 5.4 מיליארד טרנזיסטורים, הוא הראשון בעולם הבנוי בקנה מידה ניתן לייצור סדרתי – ואחד משבבי ה- CMOS הגדולים ביותר שנבנו אי-פעם. למרות ביצועים גבוהים אלה, צורך השבב רק 70 מילי-ואט חשמל בעבודה מלאה ובחישובים בזמן אמת, נתונים הנמוכים בכמה וכמה סדרי גודל בהשוואה למיקרו-מעבדים מקובלים. פריצת הדרך הטכנולוגית של יבמ מוצגת במאמר המתפרסם השבוע בעיתון המדעי Science, בשיתוף פעולה עם Cornell Tech – ומהווה צד משמעותי בדרך להצגת מחשבים בעלי יכולות קוגניטיביות.

השוואה בין יכולות העיבוד וצריכת האנרגיה של המוח האנושי ובין אלה של מחשבים מקובלים, אינה מחמיאה לטכנולוגיה עליה מבוסס עולם המחשוב. על מנת לגשר על פערי הביצועים, בנו המדענים ביבמ מערכת שלא הייתה קיימת עד כה: ארכיטקטורת מחשב חדשה לחלוטין השואבת השראה מעולם מדעי המוח, ומציעה טווח מדרוג ורמת יעילות גבוהה משמעותית מזו של הארכיטקטורה שהגה פון ניומן בשנת 1946, אשר שימשה עד כה בסיס לעולם המחשוב.

השבבים החדשים, דור שני בפרויקט המחקר והפיתוח שהחל לפני כמעט עשר שנים, משלבים עקרונות שהוצגו באב-טיפוס לליבת עיבוד בודדת אותו חשפה יבמ ב- 2011, יחד עם סביבת תוכנה חדשה לחלוטין, ושפת תכנות חדשה שנחשפה, יחד עם סימולטור של השבב, בשנת 2013.

השבב הקוגניטיבי החדש כולל רשת דו-מימדית 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, על מנת לבנות תשתית למחשבי-על עתידיים המבוססים על נוירו-סינפטות.

יבמ מניחה כאן יסודות לעולם חדש לחלוטין של מחשבים השואבים השראה ממבנה המוח ואופן הפעולה שלו, 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 חדשות של מערכות מידע – והצגתם מהווה נקודת מפנה בהיסטוריה של עולם המחשוב.

סוכנות המחקר הביטחוני המתקדם (DARPA) של ארה"ב, השקיעה עד כה בפרויקט כ- 53 מיליון דולר במסגרת תוכנית "מערכות אלקטרוניקה במורפולוגיה נוירונית בעלות כושר מדרוג והסתגלות פלאסטית". שותפות נוכחיות בפרויקט כוללות את Cornell Tech ו- IniLabs.

השבב עצמו יוצר בטכנולוגיית 28 ננומטר של סמסונג, המאפשרת צפיפות גבוהה של זיכרון על גבי השבב ושילוב טרנזיסטורים המאופיינים ברמה נמוכה במיוחד של דליפת זרם.

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 ממיקרו-מעבדים המוכרים כיום בתעשייה.

השבב החדש נשען על סביבת אקולוגית מקיפה, הכוללת סימולטור, תפיסת תכנות, אלגוריתמיקה ויישומים, מודלים לעיצוב אבות-טיפוס, מפרט של הרכיבים הנוירונים, והנחיות בתחום מחשוב העל אותו ניתן 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 הזאת, תכננה יבמ תוכנית לימודים מקיפה המיועדת לאוניברסיטאות, לקוחות, שותפים עסקיים ועובדי החברה.

הסביבה החדשה של יבמ חושפת מהלך המיועד 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, ולהתמודד עם חוסר הבהירות המאפיין לא פעם מערכות מורכבות, הפועלות בזמן אמת בעולם האמיתי. 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, את תוך מכשירים הפועלים במסגרת אילוצי צריכת זרם, כמות נתונים ומהירות.

במבט לעתיד, בונה כיום יבמ מחשבי על באמצעות שילוב מספר גדול של שבבים על גבי לוח אחד, ויצירת מערכות שיוכלו לצמוח להיקפים של מאה 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

שבבי העיבוד הנוירו-סינפטי החדשים של יבמ מהווים סטייה חדה מהתפיסות המסורתיות של תכנון ובניית מערכות מחשב. השבבים החדשים יוצרים מקבילה אלקטרונית לפעולת הנוירונים והסינפסות במערכות ביולוגיות דוגמת המוח. ההקבלה הזאת מתאפשרת בזכות השימוש באלגוריתמים מתוחכמים ובמעגלי סיליקון בתכנון חדש.

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 ומתאמים (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.

פרויקט 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.

הפרויקט 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 המעבדים הקוגניטיביים של יבמ במעגלי סיליקון השואבים השראה מעולם חקר המוח. כך, אפשר לבנות מה שמכונה ביבמ "ליבה נוירו-סינפטית". זו, כוללת זיכרון משולב המקביל לזה שבסינפסות במוח האנושי, יחד עם כושר עיבוד המקביל לזה של הנוירונים, ותקשורת המקבילה לזו של האקסונים במוח.

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 הבודדת 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 סינפסות – ותצרוך רק קילו-ואט בודד של חשמל, ונפח 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.

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.