Um grupo conjunto de pesquisadores da Universidade de Pequim e do Instituto de Microsistemas de Xangai da Academia Chinesa de Ciências desenvolveu o primeiro chip no mundo com dinâmica neuromórfica de nível de milissegundo, baseado em memristores de transição de fase. Este desenvolvimento foi publicado na revista Science em 14 de julho.
Arquitetura e princípio de funcionamento do chip
Este chip, com apenas 0,28 milímetros quadrados, é capaz de atingir um atraso de cálculo de 2,12 milissegundos. Ele integra matrizes de computação na memória para executar operações matriciais e matrizes de deslocamento em degraus para integração adaptativa.
O chip muda fundamentalmente a abordagem aos cálculos em sistemas de dinâmica neural. A arquitetura tradicional de Von Neumann separa memória e processador, forçando os dados a se moverem constantemente entre eles, criando gargalos de latência e consumo de energia ao resolver equações diferenciais necessárias para a dinâmica neural. A equipe da Universidade de Pequim resolveu esse problema de outra forma, utilizando as propriedades físicas dos próprios dispositivos de memória de transição de fase para realizar os cálculos, em vez de criar circuitos digitais mais rápidos.
Papel dos memristores de transição de fase
Os memristores de transição de fase possuem condutividade continuamente variável, que pode ser programada com precisão e desenvolvida de forma previsível ao longo do tempo. Os pesquisadores correlacionaram a busca pela integração adaptativa exigida pelos resolvedores de dinâmica neural diretamente com a evolução da condutividade desses memristores. Isso significa que a busca, avaliação e ajuste do tamanho do passo, que os circuitos digitais realizam através de múltiplos ciclos de clock, ocorre por meio da evolução física dentro do próprio dispositivo.
Além disso, o controle multinível da condutividade permite a criação de matrizes de computação em memória de alta densidade, que armazenam simultaneamente os pesos da rede neural e executam operações matriciais dentro de uma única matriz.
Resultados dos testes experimentais
Os dados experimentais demonstram um desempenho impressionante. Em comparação com os aceleradores ASIC mais avançados, o sistema oferece um aumento de 3,82 a 36,27 vezes com uma redução no consumo de energia de 3,9% a 7,8%. Em tarefas de reconstrução de superfície do córtex cerebral de alta precisão, o sistema supera o GPU NVIDIA A100 em 50,38 a 478,18 vezes. Este foi o primeiro caso em que o hardware de dinâmica neural foi levado a operar em modo de tempo real de nível de milissegundo, transformando aplicações anteriormente limitadas ao processamento offline em capacidades de tempo real online.
Perspectivas e apoio à pesquisa
O artigo publicado na Science também contém um artigo de revisão descrevendo este trabalho como uma mudança de paradigma nos cálculos controlados fisicamente. A importância deste desenvolvimento vai além da modelagem cerebral demonstrada e inclui potencial para interfaces cérebro-computador em tempo real, gêmeos digitais do cérebro, navegação neural para cirurgia e diagnóstico inteligente de doenças neurodegenerativas. O chip, operando a 50 MHz com pipeline de 9 estágios, demonstra que inovações arquitetônicas podem proporcionar melhorias de ordem de magnitude em comparação com a abordagem de 'força bruta' usando GPUs para tarefas de computação especializadas.
A pesquisa foi apoiada pelos programas New Cornerstone Investigator, Programa Nacional de P&D e Fundação Nacional de Ciências Naturais, bem como pelo Laboratório Chave de Chips de Computação em Memória de Guangdong. Este chip representa uma contribuição claramente chinesa para a área em desenvolvimento de computação controlada fisicamente com computação em memória, onde o aumento de desempenho é determinado pela física dos dispositivos, e não pela escalabilidade da Lei de Moore.