ساخت تراشه‌ای شبیه مغز انسان برای اولین بار در دنیا در چین

پژوهشگران چینی موفق به طراحی یک تراشه حافظه شده‌اند که توانایی شبیه‌سازی ساختارهای پیچیده مغز را به‌صورت آنی دارد.

به گفته تیم تحقیقاتی، این دستاورد می‌تواند در بهبود تشخیص بیماری‌های مغزی، توسعه رابط‌های مغز و رایانه و همچنین هدایت جراحی‌های مغز نقش مهمی ایفا کند.

این تراشه که با فناوری ساخت ۴۰ نانومتری تولید شده، حاصل همکاری پژوهشگران دانشگاه پکن و آکادمی علوم چین است. در ساخت آن، یک شبکه عصبی مصنوعی به‌طور مستقیم در سخت‌افزار ادغام شده است. پژوهشگران اعلام کردند این تراشه می‌تواند سطح چین‌خورده و بسیار پیچیده قشر مغز را در کمتر از نیم ثانیه بازسازی کند.

بر اساس نتایج اعلام‌شده از سوی تیم تحقیقاتی، این تراشه در انجام این وظیفه بین ۵۰ تا ۴۷۸ برابر سریع‌تر از سامانه‌هایی عمل می‌کند که از پردازنده گرافیکی A100 شرکت انویدیا استفاده می‌کنند. این افزایش چشمگیر سرعت به لطف معماری محاسبات درون حافظه به دست آمده است؛ روشی که در آن ذخیره‌سازی داده‌ها و پردازش آن‌ها به‌طور هم‌زمان در یک آرایه حافظه انجام می‌شود و در نتیجه، تأخیر ناشی از جابه‌جایی اطلاعات میان حافظه و واحد پردازش تا حد زیادی کاهش می‌یابد.

در این پروژه، پژوهشگران به جای آنکه پدیده رانش رسانایی در ممریستورهای تغییر فاز را یک نقص فنی تلقی کنند، از همین ویژگی برای انجام محاسبات پویای شبکه‌های عصبی بهره گرفتند. این رویکرد امکان پردازش سریع‌تر و در عین حال کم‌مصرف‌تر را فراهم کرده است.

هدف از طراحی این تراشه، برطرف کردن یکی از مشکلات قدیمی در تصویربرداری مغزی بوده؛ مشکلی که در آن سخت‌افزارهای متداول توان کافی برای پردازش حجم عظیم داده‌های مورد نیاز جهت بازسازی سطح بسیار چین‌خورده مغز را ندارند. افزایش سرعت پردازش می‌تواند استفاده از مدل‌سازی پیشرفته مغز را در مراکز درمانی عملی‌تر کند؛ زیرا پزشکان در بسیاری از موارد برای تصمیم‌گیری درباره تشخیص و درمان به نتایج فوری نیاز دارند.

یانگ یوچائو، نویسنده اصلی پژوهش، استاد دانشکده مدارهای مجتمع دانشگاه پکن، اعلام کرد این تراشه قادر است قشر چین‌خورده مغز را با دقت بالا برای کاربردهای پزشکی بازسازی کند. او اظهار داشت این دستاورد، فرصت‌های تازه‌ای را برای توسعه رابط‌های مغز و رایانه و همچنین تشخیص و درمان بیماری‌های مغزی ایجاد می‌کند.

یانگ یوچائو گفت که در آینده امکان ایجاد دوقلوهای دیجیتالی مغز به‌صورت شخصی‌سازی‌شده و پویا فراهم خواهد شد. به نظر او، این فناوری زیرساخت سخت‌افزاری لازم را برای عملکرد آنی در هدایت عصبی حین جراحی، غربالگری زودهنگام بیماری آلزایمر و اجرای مداخلات درمانی متناسب با شرایط هر بیمار فراهم می‌کند.

مغز انسان دارای چین‌خوردگی‌های فراوانی است که باعث افزایش سطح قشر مغز می‌شوند و امکان جای گرفتن میلیاردها نورون را در فضای محدود جمجمه فراهم می‌کنند. بازسازی این ساختارهای پیچیده تاکنون به سامانه‌های پردازشی بسیار قدرتمند و محاسبات زمان‌بر نیاز داشته و همین موضوع استفاده از آن را در شرایط درمانی حساس که زمان اهمیت زیادی دارد، با محدودیت روبه‌رو کرده است.

معماری جدید این تراشه یکی از مهم‌ترین نقاط ضعف رایانه‌های متداول را برطرف می‌کند؛ یعنی جدایی فیزیکی حافظه و پردازنده. با ترکیب این دو بخش در قالب یک تراشه واحد، میزان تأخیر کاهش یافته و هم‌زمان مصرف انرژی نیز کمتر می‌شود.

در تحلیلی که هم‌زمان با انتشار این پژوهش ارائه شد، محققان مرکز پژوهشی یولیش آلمان این فناوری را به فرآوری شیر خام در همان مزرعه دامداری، به جای انتقال آن به کارخانه، تشبیه کردند. به اعتقاد آن‌ها، انجام پردازش در همان محلی که داده‌ها ذخیره شده‌اند، بازدهی سیستم را به شکل قابل توجهی افزایش می‌دهد.

این پژوهشگران همچنین تأکید کردند که این بستر سخت‌افزاری قادر است محاسباتی با دقت بالا و تأخیری در حد چند میلی‌ثانیه ارائه دهد و مسیر را برای استفاده از کاربردهای آنی در تصویربرداری پزشکی، رباتیک و سامانه‌های هوشمند تجسم‌یافته هموار سازد. آن‌ها گفتند که این فناوری می‌تواند امکان ردیابی لحظه‌ای سطح قشر مغز در حین جراحی‌های مغز و اعصاب را فراهم کرده و در آینده به بخشی از فرآیند تصمیم‌گیری بالینی پزشکان تبدیل شود.

نتایج این پژوهش در نشریه علمی Science منتشر شده است.