سیناپس: تراشه‌ی آی‌بی‌ام با ساختاری شبیه شبکه‌ی عصبی مغز انسان

کامپیوترهای امروزی در انجام محاسبات مربوط به منطق اعداد بسیار پرقدرت عمل می‌کنند اما پردازش‌های مربوط به تشخیص عناصر موجود در یک تصویر یا تشخیص کلمات در یک صدا کار چندان ساده‌ای نیست و با وجود توسعه‌ی چنین سیستم‌هایی، دانشمندان مجبور به اختصاص منابع عظیم سخت‌افزاری به‌منظور برآورده کردن قدرت مورد نیاز برای چنین پردازش‌هایی هستند. اختصاص منابع سخت‌افزاری نیازمند انرژی بسیار بالایی است، در حالی که مغز انسان قادر است مساله‌ی مشابه را در زمان کوتاه‌تر و با صرف انرژی کمتری که می‌توان آن را با انرژی مورد نیاز یک لامپ کم‌مصرف قیاس کرد، حل کند.

آی‌بی‌ام که از سردرمداران تولید انواع سوپرکامپیوترها بوده و به نوعی در لبه‌ی دانش رایانه حرکت می‌کند، در تلاش است فاصله‌ی موجود بین مغز انسان‌ها و کامپیوترها را از نظر پردازش‌هایی که به آن اشاره کردیم، کاهش دهد. این کمپانی سعی دارد تراشه‌ای را با الگوبرداری از مغز بیولوژیک انسان تولید کند. آی‌بی‌ام تراشه‌ی سیناپس را در ماه آگوست معرفی کرد. این تراشه براساس الگوی شبکه‌های عصبی موجود در مغز انسان توسعه یافته است. سیناپس در مواردی که تراشه‌های کنونی در آن عملکرد قابل قبولی دارند، چندان قدرتمند نیست، اما در مقابل برای شناسایی الگوها و پردازش تصاویر و صداها بهینه‌سازی شده است. تراشه‌ی سیناپس اندازه‌ای برابر یک تمبر دارد و انرژی تولید شده توسط یک باتری کوچک شبیه نمونه‌هایی که در سمعک مورد استفاده قرار می‌گیرد، برای تغذیه‌ی این تراشه کافی است. آی‌بی‌ام مدعی شده که سیناپس قادر است قدرتی شبیه توانایی مغز انسان را به انواع ابزار‌ها همچون گوشی‌های‌هوشمند و روبات‌ها ببخشید. آی‌بی‌ام برای عرضه‌ی یک کیت توسعه در ابتدای سال ۲۰۱۵ برنامه‌ریزی کرده است. هدف این کمپانی ایجاد امکانی برای دانش‌آموزان، محققان و توسعه‌دهندگان به‌منظور آزمایش محصول جدید آی‌بی‌ام و نوع جدید پردازشی است که این کمپانی آن را شکل داده است. سیناپس در قالب یک بورد با سایز تقریبی یک گوشی‌هوشمند عرضه خواهد شد که تراشه‌ی سیناپس در قلب آن جا گرفته است. ماژول‌های ارتباطی نیز برای وصل کردن دوربین و سایر ابزار‌ها روی این بورد پیش‌بینی شده است. دارمندرا موزا، محقق ارشد بخش پردازش‌های الهام گرفته از مغز انسان در آی‌بی‌ام در خصوص این تراشه می‌گوید:

این حوزه از دانش پردازنده‌ها پتانسیل بالایی برای میزبانی از انواع پروژه‌های خلاقانه دارد. فعالیت در این حوزه نیازمند تفکر تازه‌ای است، چراکه مفاهیم مورد استفاده در این تراشه متفاوت از مسائلی است که در پردازنده‌های معمول به آنها پرداخته می‌شود.

به گفته‌ی موزا، تراشه‌ی سیناپس می‌تواند منجر به پیشرفت‌های بزرگی در زمینه‌ی پردازش‌های حسی در گوشی‌های‌هوشمند شود. پردازش حسی به نوعی از پردازش‌های عصبی اطلاق می‌شود که با استفاده از آن رایانه‌ها قادرند همچون انسان‌ها با دیدن و شنیدن و احساس محیط به وضعیت پیرامون خود پی ببرند. برای مثال یک گوشی‌هوشمند را تصور کنید که پس از قرار گرفتن در یک محیط قادر است تشخیص دهد که در کجا حضور دارد و شما در حال انجام چه کاری هستید. پردازش حسی پتانسیل بالایی دارد و می‌توان از آن در کاربردهای دیگری نیز استفاده کرد که از جمله‌ی آن می‌توان به جمع‌آوری اطلاعات از محیط پیرامون در زمان فعال بودن سیستم ناوبری هوشمند خودرو اشاره کرد که می‌تواند با گردآوری اطلاعات از محیط پیرامون، امنیت حرکت خودرو را بیشتر کند.

همچون تراشه‌های معمول مورد استفاده، تراشه‌ی سیناپس نیز از ترانزیستورهای سیلیکونی تشکیل شده است، اما ساختار قرارگرفتن ترانزیستورها برخلاف سنت همیشگی تولید تراشه‌ها است که در ۷۰ سال اخیر از آن پیروی شده است. در معماری معمول مورد استفاده در تراشه‌های امروزی هر هسته‌ی پردازشی قادر است تا یک دستور را در یک لحظه پردازش کند، اما معماری بکار رفته در تراشه‌ی سیناپس امکان پردازش چندین دستور همزمان را فراهم آورده که این موضوع منجر به بهره‌وری بهتر تراشه می‌شود. تراشه‌ی سیناپس متشکل از یک میلیون نورون مجازی است که با استفاده از ۲۵۶ میلیون عصب مجازی به یکدیگر متصل شده‌اند. سیناپس بزرگ‌ترین تراشه‌ای است که آی‌بی‌ام تاکنون تولید کرده است، چراکه در آن ۵.۴ میلیارد ترانزیستور استفاده شده است. همچنین مجموعه‌ی ترانزیستورهای مورد استفاده متشکل از ۴٫۰۹۶ هسته‌ی نوروحسی است که روی تراشه قرار گرفته‌اند. مصرف این تراشه ۷۰ میلی‌وات است که در مقایسه با تراشه‌ی معمول مورد استفاده بسیار کمتر است. مودها در مورد این تراشه می‌گوید:

از نظر مقیاس، تراشه‌ی سیناپس برابر با مغز یک زنبور عسل است و تعداد نئورون‌ها و عصب‌های مورد استفاده با آن برابری می‌کند، اما این تراشه بسیار ضعیف‌تر از مغز انسان‌ها است.

مغز هر انسان از ۱۰ میلیارد نورون و ۱۰۰ تریلیوین عصب تشکیل شده است. البته تیم توسعه‌ی سیناپس نشان داده که می‌توان با اتصال تراشه‌های سیناپس به یکدیگر، تراشه‌ی بزرگ‌تر و قوی‌تری ساخت.

متخصصان تلاش‌های صورت گرفته توسط آی‌بی‌ام را برای استفاده از راهکارهای دیگر برای تقویت پردازنده‌ها و تراشه‌ها ستایش می‌کنند. محدودیت‌های فیزیکی موجود در تولید ترانزیستورها با استفاده از سیلیکون، پایداری قانون مور را به خطر انداخته است، بطوریکه تا چند سال دیگر نمی‌توان با معماری سنتی مورد استفاده و بالابردن تعداد ترانزیستورها بر قدرت پردازنده‌ها افزود. براساس قانون مورد تعداد ترانزیستورهای مورد استفاده در پردازنده‌ها در فاصله‌ی دو سال، دو برابر می‌شود. در دهه‌های گذشته این قانون بصورت تمام و کمال از سوی تولیدکنندگان رعایت شده است. کمپانی‌های صاحب نظر در امر تولید پردازنده‌ها سرمایه‌گذاری‌های کلانی برای یافتن راهکارهای جایگزین در پیش گرفته‌اند که از جمله‌ی این کمپانی‌ها می‌توان به خود آی‌بی‌ام، اینتل و ناسا اشاره کرد. یافتن ماده‌ی جایگزینی برای سیلیکون که شماری نانولوله‌های کربنی را پیشنهاد داده‌اند، از جمله‌ی این راهکارها است. برخی دیگر از پیشنهادات نیز تغییر معماری و استفاده از روش‌های دیگری را چون رایانش کوانتومی را پیشنهاد داده‌اند. انتظار می‌رود تا سال ۲۰۲۰ شاهد تغییرات بنیادی در زمینه‌ی تولید تراشه‌ها باشیم. البته هنوز راه درازی تا استفاده‌ی تجاری از تراشه‌‌ی سیناپس باقی است و دانش بشری نیز در این مورد به اندازه‌ی کافی جامع و کامل نیست.

نظر شما در این خصوص چیست؟ آیا سیناپس می‌تواند انتظار‌ها را در مورد نسل آتی تراشه‌ها برآورده کند؟