I ricercatori IBM hanno presentato una nuova generazione di chip sperimentali, progettati per emulare le capacità di percezione, azione e cognizione del cervello umano. La tecnologia potrebbe produrre un consumo di potenza e avere dimensioni di molti ordini di grandezza inferiori a quelli dei computer odierni.
Allontanandosi nettamente dai concetti tradizionali di progettazione e costruzione dei computer, i primi chip di calcolo neurosinaptico ricreano i fenomeni tra i neuroni basati su potenziali d’azione (spiking neurons) e le sinapsi nei sistemi biologici, come il cervello, attraverso algoritmi e circuiti di silicio avanzati. I primi due prototipi di chip sono già stati costruiti e sono attualmente in fase di test. Chiamati computer cognitivi, i sistemi costruiti con questi chip non saranno programmati come i tradizionali computer di oggi ma saranno in grado di apprendere dall’esperienza, trovare correlazioni, creare ipotesi e ricordare e imparare dagli esiti, imitando la plasticità strutturale e sinaptica del cervello. Per farlo si associano i principi derivanti dalla nanoscienza, dalla neuroscienza e dal supercomputing nell’ambito di una serie di progetti avviati da anni e definiti con l’espressione cognitive computing.
IBM e i partner scientifici del mondo universitario hanno anche ricevuto circa 21 milioni di dollari di nuovi fondi dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) per la fase 2 del progetto Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics (SyNAPSE).
L’obiettivo è creare un sistema in grado non solo di analizzare immediatamente le informazioni complesse recuperate in diverse modalità sensoriali, ma anche di riorganizzarsi mentre interagisce con l’ambiente: il tutto emulando le dimensioni e il basso consumo di potenza del cervello umano. Sono state già completate con successo le Fasi 0 e 1.
“Si tratta di un’importante iniziativa per andare oltre il paradigma di von Neumann, che guida l’architettura dei computer da più di mezzo secolo”, spiega Dharmendra Modha, project leader della Ricerca IBM. “Le future applicazioni di calcolo richiederanno sempre più funzionalità che non possono essere gestite in modo efficiente dall’architettura tradizionale. Questi chip sono un altro passo significativo nell’evoluzione dei computer – da calcolatori a sistemi capaci di apprendere – e rappresentano l’inizio di una nuova generazione di macchine e applicazioni al servizio delle imprese, della scienza e della pubblica amministrazione”.
Chip neurosinaptici
Pur non contenendo elementi biologici, i primi prototipi di chip per il cognitive computing utilizzano circuiti di silicio digitali ispirati alla neurobiologia, per costituire ciò che si definisce un “nucleo neurosinaptico” con memoria integrata (sinapsi replicate), calcolo (neuroni replicati) e comunicazione (assoni replicati).
IBM ha due progetti di prototipi funzionali. Entrambi i nuclei sono stati fabbricati in SOI-CMOS a 45 nm e contengono 256 neuroni. Un nucleo contiene 262.144 sinapsi programmabili, mentre l’altro contiene 65.536 sinapsi in grado di apprendere. Il team di ricercatori ha dimostrato con successo applicazioni semplici, quali navigazione, visione artificiale, riconoscimento di modelli, memoria associativa e classificazione.
L’architettura generale del cognitive computing è una rete on-chip di core leggeri, che creano un unico sistema integrato di hardware e software. Questa architettura, diversamente dal tradizionale calcolo di von Neumann, non ha una programmazione impostata, integra la memoria con il processore e emula l’elaborazione distribuita, parallela e guidata dagli eventi del cervello umano. L’obiettivo a lungo termine di IBM è costruire un sistema di chip con dieci miliardi di neuroni e centinaia di trilioni di sinapsi, con consumi di appena un chilowatt di potenza e dimensione inferiore a due litri di volume.
Perché il cognitive computing
I chip del futuro potranno “ingerire” le informazioni da ambienti complessi del mondo reale, attraverso diverse modalità sensoriali, e agire attraverso diverse modalità motorie in modo coordinato e dipendente dal contesto. Ad esempio, un sistema di cognitive computing che monitora l’approvvigionamento idrico mondiale potrebbe contenere una rete di sensori e attuatori che registrano e riferiscono dati quali temperatura, pressione, altezza d’onda, acustica e marea oceanica, ed emettono allarmi tsunami sulla base del suo processo decisionale. Allo stesso modo, un negoziante che rifornisce gli scaffali potrebbe utilizzare un guanto tecnologico che monitora l’aspetto, l’odore, la consistenza e la temperatura, per individuare i prodotti guasti o contaminati. Interpretare i dati in tempo reale che arrivano a una velocità vertiginosa sarebbe un’impresa immane per i computer odierni, mentre risulterebbe naturale per un sistema ispirato al cervello umano.
“Immaginate un semaforo in grado di integrare stimoli visivi, suoni e odori per segnalare un incrocio pericoloso prima che si verifichi un incidente o coprocessori cognitivi che trasformano server, laptop, tablet e telefoni in macchine in grado di interagire meglio con il loro l’ambiente”, spiega il Dr. Modha.
Per la Fase 2 di SyNAPSE, IBM ha riunito un team di ricercatori e scienziati di altissimo livello di diverse università: Columbia University, Cornell University, University of California, Merced e University of Wisconsin, Madison.
IBM vanta una ricca tradizione nel campo della ricerca sull’intelligenza artificiale, che risale al lontano 1956 quando eseguì, per la prima volta al mondo, la simulazione corticale su grande scala (512 neuroni); l’ultimo risultato è il progetto Watson, un sistema di calcolo analitico specializzato nella comprensione del linguaggio umano naturale e in grado di fornire risposte specifiche a domande complesse, con grande rapidità. Watson rappresenta una vera rivoluzione nella storia dei computer che comprendono il linguaggio naturale, un “linguaggio reale”, non progettato o codificato appositamente per i computer ma il linguaggio che gli esseri umani utilizzano per acquisire e comunicare la conoscenza.
I chip per il cognitive computing sono stati costruiti nello stabilimento IBM di Fishkill, N.Y. e sono attualmente in fase di test presso i laboratori di ricerca di Yorktown Heights, N.Y. e San Jose, California.
Fonte:
PR IBM
[A cura di Mauro Notarianni]
