Làm thế nào để tái tạo một cách tinh tế bộ não mong manh của con người bằng tổng hợp những kim loại rắn và silicon? IBM cho rằng, họ đã tìm ra giải pháp và chứng minh nó bằng việc xây dựng - kiểm chứng 2 chip vi mạch “điện toán nhận thức ” được tạo ra dựa trên cảm hứng bộ não người. Trong não của độ...
Làm thế nào để tái tạo một cách tinh tế bộ não mong manh của con người bằng tổng hợp những kim loại rắn và silicon?
IBM cho rằng, họ đã tìm ra giải pháp và chứng minh nó bằng việc xây dựng - kiểm chứng 2 chip vi mạch “điện toán nhận thức” được tạo ra dựa trên cảm hứng bộ não người.
Trong não của động vật có vú, tế bào thần kinh trao đổi tín hiệu hóa học với nhau qua các khoảng trống nhỏ gọi là các khớp thần kinh. Một “đuôi” dài của tế bào thần kinh - sợi trục, gửi tín hiệu từ nhiều thiết bị đầu cuối của nó tới bộ phận tiếp nhận của tế bào thần kinh khác - các nhánh hình cây để thu thập chúng.
Mỗi chip silicon mô phỏng não bộ của IBM có kích thước một vài mm2 và tổ chức thành một mạng lưới với 256 dây song song - đại diện cho nhánh cây của điện toán "các tế bào thần kinh" xuyên qua góc phải bằng các sợi dây khác trong sợi trục thần kinh.
"Khớp thần kinh" là các bóng bán dẫn 45-nm kết nối các dây đan nhau và hoạt động như bộ nhớ của chip, một con chip có 262.144 khớp thần kinh bên trong và 65.536 thành phần khác. Mỗi tín hiệu điện qua một khớp thần kinh chỉ tiêu thụ 45 picajoules/1000 của các chip máy tính thông thường.
Bởi vì các tế bào thần kinh và các khớp thần kinh liên hệ mật thiết với nhau, nên các bộ phận của phần cứng chịu trách nhiệm tính toán và ghi nhớ của chip IBM cũng gắn bó chặt chẽ hơn so với các chip máy tính thông thường.
Với máy tính thường, bộ nhớ nằm bên rìa của bộ xử lý, nhưng trong các chip mới - các khớp thần kinh - bộ nhớ và các bộ vi xử lý - các tế bào thần kinh được sắp xếp chồng lên nhau, vì vậy chúng không tiêu tốn nhiều năng lượng khi lưu chuyển dòng điện.
Chip vi mạch “điện toán nhận thức” được tạo ra dựa trên cảm hứng bộ não người. (Nguồn: Newscientist.com)
Điều này có nghĩa là các con chip này có thể xử lý song song nhiều quá trình một cách hiệu quả hơn các máy tính thông thường.
Trong các thử nghiệm sơ bộ, các con chip này đã có thể chơi trò chơi của Pong, kiểm soát một chiếc xe đích thực trên một trường đua ngựa và nhận định một hình ảnh hoặc chữ số trên màn hình.
Đây là tất cả các nhiệm vụ máy tính thông thường có thể hòan thành, nhưng các chip mới này có khả năng quản lý và hoàn thành chúng mà không cần một chương trình chuyên biệt với mỗi công việc. Các chip này cũng có thể "học hỏi" làm thế nào để hoàn thành mỗi nhiệm vụ nếu được “đào tạo”.
Đặc biệt, bằng cách kết nối nhiều chip với nhau, Dharmendra Modha thuộc IBM Research – Almaden ở San Jose, California, hy vọng sẽ xây dựng được một siêu máy tính có kích thước chỉ bằng một chiếc hộp đựng giày, với 10 tỷ tế bào thần kinh và 100 nghìn tỷ khớp thần kinh chỉ tiêu thụ 1 vài trăm kilowatt điện năng.
Điều này cần được ghi nhận – khi mà một máy tính tiêu chuẩn sử dụng một vài trăm watt, nhưng một siêu máy tính như IBM’s Watson chỉ sử dụng vài trăm kilowatt. Ngược lại, bộ não cực kỳ hiệu quả của con người được ước tính có 100 tỷ tế bào thần kinh và có ít nhất là 100 nghìn tỷ khớp thần kinh nhưng tiêu thu tói hơn 20 watt.
Kwabena Boahen của Đại học Stanford, California cho biết: quy mô là một trong những vấn đề trong tâm của nghiên cứu này. Đến khi các con chip chứa nhiều khớp thần kinh như não bộ con người, nó sẽ dẫn tới việc khó khăn trong nhận biết thành tựu này so với các con chip trong máy tính.
Công trình này được tài trợ bởi Cơ quan hỗ trợ các dự án nghiên cứu của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ (DARPA) nhằm tạo ra các máy tính có khả năng thay thế bộ não con người.
IBM công bố hai chip vi mạch “điện toán nhận thức”, thiết kế lấy cảm hứng từ cách bộ não người truyền tín hiệu, ghi nhớ thông tin và xử lý nhiều nhiệm vụ đồng thời.
Công trình đặt ra câu hỏi thú vị: liệu những vật liệu cứng như kim loại và silicon có thể mô phỏng tinh tế hoạt động của một bộ não mong manh hay không.
Theo IBM, hai chip đã được xây dựng và kiểm chứng, mở hướng phát triển máy tính có khả năng học hỏi, thích ứng, đồng thời tiêu thụ năng lượng hiệu quả hơn.
Trong não động vật có vú, tế bào thần kinh trao đổi tín hiệu hóa học qua những khoảng trống cực nhỏ gọi là khớp thần kinh.
Một sợi trục dài đưa tín hiệu từ nhiều đầu mút của tế bào thần kinh đến các nhánh hình cây ở tế bào khác, nơi những tín hiệu ấy được tiếp nhận và kết hợp.
IBM mô phỏng cấu trúc đó bằng mạng lưới dây dẫn, trong đó những đường song song đại diện cho các nhánh cây giao cắt với những đường khác tượng trưng cho sợi trục thần kinh.
Mỗi chip silicon có kích thước chỉ vài milimét vuông, nhưng bên trong chứa 256 dây song song tạo thành mạng lưới kết nối dày đặc.
Các điểm giao nhau của dây dẫn sử dụng bóng bán dẫn 45 nanomet, đóng vai trò tương tự khớp thần kinh và đảm nhiệm chức năng lưu trữ thông tin.
Một chip sở hữu 262.144 khớp thần kinh cùng 65.536 thành phần khác, tạo nên nền tảng phần cứng khác biệt đáng kể so với máy tính thông thường.
Mỗi tín hiệu điện đi qua một khớp thần kinh chỉ tiêu thụ 45 picojoule, tương đương một phần nghìn mức năng lượng của chip máy tính thông thường.
Mức tiêu thụ thấp xuất phát từ việc các bộ phận đảm nhiệm tính toán và ghi nhớ được đặt gần nhau, thay vì tách biệt trong những khu vực phần cứng riêng.
Ở máy tính truyền thống, bộ nhớ thường nằm bên ngoài hoặc ở rìa bộ xử lý, khiến dữ liệu phải di chuyển xa hơn và tiêu tốn thêm năng lượng.
Trong thiết kế mới, các bộ phận tương ứng với tế bào thần kinh và khớp thần kinh được sắp xếp chồng lên nhau, giúp rút ngắn quãng đường truyền dòng điện.
Cấu trúc ấy cho phép chip xử lý song song nhiều quá trình, thay vì lần lượt thực hiện từng thao tác theo cách thường thấy ở nhiều hệ thống máy tính.
Nhờ vậy, máy có thể tiếp nhận lượng thông tin lớn hơn trong cùng thời điểm, đồng thời giảm phần năng lượng dành cho việc vận chuyển dữ liệu giữa bộ nhớ và bộ xử lý.
Trong những thử nghiệm sơ bộ, các chip đã chơi được trò Pong, điều khiển một chiếc xe thật trên trường đua và nhận diện hình ảnh hoặc chữ số trên màn hình.
Những nhiệm vụ này vốn không xa lạ với máy tính, nhưng chip của IBM có thể thực hiện chúng mà không cần một chương trình chuyên biệt được viết riêng cho từng công việc.
Khi được đào tạo, các chip còn có khả năng học cách hoàn thành nhiệm vụ, thay vì chỉ lặp lại cứng nhắc những chỉ dẫn đã được lập trình sẵn.
Dharmendra Modha thuộc IBM Research tại Almaden, San Jose, California, kỳ vọng ghép nhiều chip để xây dựng một siêu máy tính nhỏ bằng hộp đựng giày.
Mục tiêu được nêu ra là hệ thống có 10 tỷ tế bào thần kinh và 100 nghìn tỷ khớp thần kinh, nhưng chỉ tiêu thụ vài trăm kilowatt điện năng.
Con số này đáng chú ý khi một máy tính tiêu chuẩn dùng vài trăm watt, còn siêu máy tính như IBM’s Watson cần đến vài trăm kilowatt trong vận hành.
Bộ não người được ước tính có khoảng 100 tỷ tế bào thần kinh và ít nhất 100 nghìn tỷ khớp thần kinh, nhưng mức tiêu thụ chỉ hơn 20 watt.
Kwabena Boahen tại Đại học Stanford, California, nhận xét rằng quy mô sẽ là một trong những vấn đề trung tâm khi công nghệ này tiếp tục phát triển.
Khi số khớp thần kinh trên chip tiến gần quy mô não người, việc chứng minh thành tựu và phân biệt nó với các chip máy tính khác sẽ trở nên khó khăn hơn.
Công trình nhận tài trợ từ Cơ quan các dự án nghiên cứu quốc phòng tiên tiến của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, gọi tắt là DARPA, với mục tiêu tạo ra máy tính có khả năng thay thế bộ não người trong một số nhiệm vụ.
