נחשף שבב מהפכני המשלב נוירונים וסינפסות דיגיטליות עם 5.4 מיליארד טרנזיסטורים
מאת: חיים חביב, 10.8.14, 14:30

השבב שקול למיליון נוירונים ו-256 מיליון סינפסות בצריכת הספק מזערית של 70 מילי-ואט . פריצת הדרך מניחה יסודות לדור חדש של מחשבים, ששואבים השראה ממבנה המוח ומאופן פעולתו.

יבמ חשפה שבב חדש המשלב נוירונים וסינפסות דיגיטליות ומציע, לראשונה, 256 מיליון סינפסות ברות תכנות. השבב - IBM SyNAPSE Chip, שמכיל 5.4 מיליארד טרנזיסטורים, הוא הראשון מסוגו  הנבנה עם יכולת ייצור סדרתית ואחד משבבי ה-CMOS הגדולים ביותר, שנבנו אי-פעם. למרות ביצועיו הגבוהים השבב דל הספק - רק 70 מילי-ואט בעבודה בעומס מלא ובחישובים בזמן אמת (נתונים הנמוכים בסדרי גודל בהשוואה למיקרו-מעבדים מוכרים). פריצת הדרך הטכנולוגית של יבמ נחשפה השבוע בכתב העט המדעי Science, בשיתוף פעולה עם Cornell Tech ומהווה סימן דרך 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, פיתחו מדענים ביבמ מערכת ייחודית: ארכיטקטורת מחשב חדשה לחלוטין השואבת השראה מעולם מדעי המוח, ומציעה טווח מדרוג ורמת יעילות גבוהה משמעותית מזו של הארכיטקטורה, שהגה פון ניומן בשנת 1946, ששימשה עד כה בסיס לעולם המחשוב.

השבבים החדשים, דור שני בפרויקט המחקר והפיתוח, שהחל לפני כעשור, משלבים עקרונות, שהוצגו באב-טיפוס לליבת עיבוד בודדת אותו חשפה יבמ ב-2011, יחד עם סביבת תוכנה חדשה לחלוטין ושפת תכנות חדשה, שנחשפה עם הסימולטור 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. כדי לאפשר הרחבת המערכת מעבר לגבולות השבב הבודד, ניתן לצרף שבבים נוספים הקשורים זה לזה באופן שקוף, לבניית תשתית למחשבי-על עתידיים המבוססים על נוירו-סינפטות.

פריצת הדרך של יבמ מניחה יסודות לעולם חדש לחלוטין של מחשבים, השואבים השראה ממבנה המוח ומאופן פעולתו. זאת, הודות לארכיטקטורה חדשה, קנה מידה וטווח הרחבה שלא היו מוכרים בעבר, יעילות חסרת תקדים בכל הנוגע לצריכת הזרם ומהירות העיבוד ושיפור טכנולוגיות התכנון ברמת השבב. ביבמ מעריכים, שהשבבים החדשים יאפשרו לפתח דורות חדשים של מערכות מידע ולהציג נקודת מפנה בהיסטוריה של עולם המחשוב.

סוכנות המחקר הביטחוני המתקדם (DARPA) של ארה"ב השקיעה עד כה בפרויקט כ-53 מיליון דולרים במסגרת תכנית "מערכות אלקטרוניקה במורפולוגיה נוירונית בעלות כושר מדרוג והסתגלות פלאסטית". כיום שותפות לפרויקט Cornell Tech  ו-IniLabs.
השבב יוצר בטכנולוגיית 28 ננומטר של סמסונג, שמאפשרת צפיפות גבוהה של זיכרון ושילוב טרנזיסטורים המאופיינים ברמה נמוכה במיוחד של דלף זרם. תכנון המעגלים בשבבים החדשים מונחי-האירועים המשולבים מתבסס על מתודולגיית תכנון א-סינכרוני, שפותחה ב-Cornell Tech ושוכללה בשת"פ עם IBM מאז 2008. שילוב תהליכים וטכנולוגיות מתקדמות לצד הארכיטקטורה החדשה והייחודית הובילו לצפיפות גבוהה ולצריכת הספק של 20 מילי-ואט לסנטימטר רבוע – כ-4 סדרי גודל פחות ממיקרו-מעבדים מוכרים 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 תכנית 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. המערכת בנויה להתמודד 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.

במבט צופה פני עתיד, מפתחת יבמ מחשבי על באמצעות שילוב מספר רב של שבבים על גבי לוח אחד ויצירת מערכות, שתוכלנה להתרחב עד כדי 100 מיליארד סינפסות ויותר.

הארכיטקטורה החדשה תוכננה לנצל גם יכולות טכנולוגיות עתידיות, דוגמת מבנה שבבים תלת-מימדי ולוגיקות חדשניות שיאפשרו לצמצם אף יותר את צריכת הזרם, לדחוס רכיבים למארז צפוף יותר ולהציג מהירויות גבוהות יותר.

מקבילה סיליקונית של המוח
שבבי העיבוד הנוירו-סינפטי החדשים של יבמ מציגים תפנית פורצת דרך בחשיבה המסורתית של תכנון ובניית מערכות מחשב. השבבים החדשים יוצרים מקבילה אלקטרונית לפעולת הנוירונים והסינפסות במערכות ביולוגיות דוגמת המוח. ההקבלה מתאפשרת הודות לשימוש באלגוריתמים חכמים ובמעגלי סיליקון בתכנון חדשני.

מחשבים קוגניטיביים, שייבנו סביב שבבים אלה, לא יתוכנתו באופן המסורתי המוכר כיום בעולם מערכות המידע. במקום תכנות כזה, צפויים מחשבים קוגניטיביים ללמוד מהניסיון, לזהות הקשרים ומתאמים (קורלציות), להציג השערות, לזכור ללמוד ולהפיק לקחים מהתוצאות ולמעשה לחקות את אופן הפעולה של המוח האנושי ואת תהליכי הלמידה המוכרים לנו.

להשגת יעדים אלה, שילבו מדעני יבמ עקרונות מעולם הנאנו-טכנולוגיה, חקר המוח ומחשוב-על.

פרויקט SyNAPSE מיועד לבנות מערכת המסוגלת לא רק לנתח מידע מורכב המתקבל ממספר רב של חיישנים ומקורות חיצוניים אלא גם לארגן באופן דינמי את מסלולי החיווט הפנימי שלה, על בסיס האינטראקציה עם הסביבה, בתהליכים המקבילים לאלה, שבו מצליח המוח ללמוד ולשנות דפוסי התנהגות תוך שימוש בהספק נמוך.

הפרויקט החדש צועד הרחק אל מעבר לתפיסה, שהתווה פון ניומן, ששולטת ב-50 השנים האחרונות בעולם המחשוב. יישומי מחשוב עתידיים צפויים לדרוש גמישות פונקציונאלית, שאינה קיימת כיום במערכות המוכרות לנו. השבבים החדשים הם צעד חשוב בהתפתחות המחשבים ממערכות חישוב למערכות לומדות. ביבמ מעריכים, שאנו בראשיתו של דור חדש של מחשבים ויישומים חדשים של מחשבים אלה בעולם העסקים, המדע והממשל.

למרות שהשבבים החדשים אינם משלבים רכיבים ביולוגיים, משתמשים המעבדים הקוגניטיביים של יבמ במעגלי סיליקון השואבים השראה מפעולת המוח. כך, אפשר לבנות מה שמכונה ביבמ "ליבה נוירו-סינפטית". זו כוללת זיכרון משולב המקביל לזה, שבסינפסות במוח האנושי, לצד כושר עיבוד מקביל 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 החדשה מהווה כאמור מהפך מהותי מתפיסות המחשוב המסורתיות, וצפויה להניח יסוד למכונות יעילות יותר בהיבט צריכת חשמל וללא צורך בתכנות מוקדם. השילוב בין הזיכרון ובין המעבד ברמת הליבה הבודדת מחקה למעשה את אופן החשיבה במוח המונחית ע"י אירועים וקלט חיצוני ומתבצעת בתהליך מבוזר ומקבילי.

בטווח הארוך חותרת יבמ לבנות מערכת שבבים, שתכלול 10 מיליארד נוירונים ומאות מיליוני סינפסות ותצרוך הספק של קילו-ואט יחיד בנפח כולל של פחות מ-2 ליטר.

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

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

למידע נוסף ראו להלן את האינפוגרמה IBM SyNAPSE Chip
(לחיצה על התמונה מגדילה אותה)