IBM ha effettuato un importante passo in avanti nel tentativo di emulare il funzionamento del cervello umano mediante un supporto in silicio.
La società americana ha infatti sviluppato un microchip che simula le funzioni di neuroni, sinapsi e altre caratteristiche del cervello; secondo IBM il chip, che si discosta dalla topografia dei processori tradizionali, eccelle nel riconoscere forme e classificare oggetti utilizzando molta meno energia rispetto ai dispositivi convenzionali.
Il nuovo chip è il frutto di una serie di sforzi da parte di IBM e di altre società nel tentativo di realizzare un processore che riproduca i meccanismi di funzionamento del cervello. In questo caso il risultato ottenuto (descritto sulla rivista Science) ha caratteristiche assolutamente innovative essendo realizzato con tecnologie standard, le stesse impiegate nella normale produzione di chip, anziché ricorrere a materiali o processi di produzione esoterici.
Anche se non si conoscono molti dettagli, IBM afferma di essere già in contatto con potenziali partner per concordare come portare sul mercato tale processore. La società ha collegato tra loro più chip per testare differenti configurazioni circuitali e intravede applicazioni nel campo dei supercomputer domestici così come, ad esempio, in sistemi galleggianti a forma di medusa in grado di percepire tsunami o altri pericolosi fenomeni naturali.
“ Abbiamo grandi ambizioni commerciali “, ha detto Dharmendra Modha, ricercatore presso l’IBM Almaden Research Center nel quale lavorano numerosi altri scienziati nel campo dell’intelligenza artificiale.
Il chip, chiamato TrueNorth, è stato costruito per conto di IBM dalla Samsung utilizzando la stessa tecnologia di produzione che l’azienda sudcoreana impiega per costruire microprocessori per smartphone e altri dispositivi mobili. IBM ha collaborato alla progettazione di base con i ricercatori della Cornell University di New York City utilizzando un finanziamento di 53 milioni di dollari stanziato a partire dal 2008 dal DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), l’agenzia per le ricerche avanzate del Pentagono.
L’annuncio di IBM arriva nel momento in cui scienziati e ingegneri si stavano interrogando sulla prospettiva di un rallentamento nei continui miglioramenti dei microprocessori convenzionali.
Da sempre i produttori stanno costantemente riducendo costi e dimensioni dei chip, migliorando la velocità e l’efficienza energetica. Tuttavia, per le attuali esigenze, non è più possibile contare sui processi tradizionali, in particolare per gli scienziati alle prese con i supercomputer che – attualmente – necessitano di un’energia pari al consumo di una piccola città. Solo le architetture completamente diverse, come quella di TrueNorth, possono essere d’aiuto.
“Il consumo energetico è uno dei vincoli più stringenti per poter andare avanti”, dice Horst Simon, vice direttore del Lawrence Berkeley National Laboratory, un grande utilizzatore di supercomputer. “Questo chip rappresenta davvero un cambiamento fondamentale nell’architettura dei nostri sistemi”.
La configurazione utilizzata nella maggior parte dei computer e microprocessori è quella che prende il nome dal matematico John von Neumann che l’ha ispirata, con la sezione che effettua i calcoli separata dagli stadi di memoria e con un bus sincronizzato da un clock interno che collega le due sezioni.
“Questa configurazione funziona bene – aggiunge Modha – quando c’è una sequenza di numeri da elaborare, con la capacità di calcolo che è aumentata di pari passo con l’incremento della frequenza di clock. Tuttavia l’incremento della frequenza di clock produce anche un aumento dei consumi e il continuo avanti-indietro dei dati tra CPU e memoria incide sull’efficienza complessiva del sistema”.
Nel cervello, al contrario, l’elaborazione è particolarmente efficiente con una grande capacità, ad esempio, di riconoscere il volto di una persona o distinguere suoni differenti. Particolari cellule – i neuroni – collegate tra loro da strutture chiamate sinapsi, sono in grado di processare e trasmettere informazioni che vengono memorizzate nelle vicinanze della cellula.
TrueNorth, che utilizza 5,4 miliardi di transistor (quattro volte più di un processore per PC), è in grado di simulare l’equivalente di un milione di neuroni e 256 milioni di sinapsi. I transistor sono organizzati in 4.096 strutture chiamate “nuclei neurosinaptici“, ciascuna in grado di memorizzare, elaborare e trasmettere i dati a qualsiasi altra struttura dello stesso tipo utilizzando uno schema di comunicazione chiamato “crossbar”.
Il design è del tipo “event-driven”, afferma ancora Modha; ciò significa che i singoli nuclei si attivano solamente quando necessario, piuttosto che rimanere sempre attivi. In questo modo l’efficienza energetica risulta di gran lunga superiore: TrueNorth consuma solamente 20 milliwatt per centimetro quadrato contro i 50-100 watt dei processori tradizionali.
Durante una dimostrazione il chip è stato collegato ad una telecamera posizionata su un edificio ed utilizzato per individuare e rintracciare le persone che camminavano nei pressi dell’edificio stesso. Oltre all’impiego in grandi sistemi interconnessi, IBM prevede di utilizzare questo chip in piccole applicazioni dove il fattore spazio è fondamentale. Le potenziali applicazioni riguardano, ad esempio, un mini robot a forma di palla dotato di telecamera e in grado di ispezionare luoghi coinvolti in disastri ambientali dove l’uomo non potrebbe accedere, ma anche sottili sensori a forma di foglia in grado di dare l’allarme nel caso di incendi boschivi.
“Questo chip non ha lo scopo di sostituire i computer tradizionali,” continua Modha “È un rapporto di complementarietà.”
Altre aziende, tra le quali i colossi Intel e Qualcomm, sono al lavoro su chip che gli ingegneri definiscono “neuromorfi”. Un altro problema da affrontare in questo campo è convincere i programmatori ad utilizzare metodi completamente nuovi per scrivere i programmi adatti alle nuove strutture implementate nei chip.
IBM ha cercato di affrontare questo problema sviluppando un particolare linguaggio di programmazione e nuovi strumenti di simulazione.” La nostra tecnologia è molto più matura dei sistemi neuromorfi che altri stanno sviluppando” ha affermato Rajit Manohar, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Cornell Tech.
Ma altri esperti ritengono che è troppo presto per individuare la tecnologia che si affermerà in questo campo; tra questi Jeff Hawkins, un pioniere dei dispositivi mobili e co-fondatore di Numenta, una startup che ha realizzato sistemi hardware e software scaturiti da lunghi studi sul funzionamento del cervello.
In ogni caso, Mr. Hawkins ritiene che i chip bidimensionali come TrueNorth daranno la possibilità di costruire architetture che sempre più si avvicinano al modo di funzionare del cervello anche se “Per realizzare una valida architettura neuronale ci vorranno ancora molti anni” conclude Hawkins.
Fonte: IBM
Su questa tecnologia, IBM ha anche realizzato questa bellissima infografica.
