طراحیِ جهان جدید با پردازنده‌های جدید
تکنولوژِی با 40 سال پیش تفاوت‌های بسیاری کرده است. آن زمان کامپیوترها ماشین‌های غریبه‌ای بودند که در زیرزمین ساختمان‌های بزرگ نگهداری می‌شدند و تنها از سوی کشیش‌ها که قابلیت صحبت به زبان ماشین را داشتند مورد استفاده قرار می‌گرفتند.
کد خبر :
۳۴۲۷۴
بازدید :
۲۶۷۷
تکنولوژِی با 40 سال پیش تفاوت‌های بسیاری کرده است. آن زمان کامپیوترها ماشین‌های غریبه‌ای بودند که در زیرزمین ساختمان‌های بزرگ نگهداری می‌شدند و تنها از سوی کشیش‌ها که قابلیت صحبت به زبان ماشین را داشتند مورد استفاده قرار می‌گرفتند.
این نسل از کامپیوترها اکثرا در زمینه محاسبات علمی یا بخش پشتیبانی شرکت‌های بزرگ مورد استفاده قرار می‌گرفتند.
تا دهه 80 میلادی، تکنولوژی آنقدر پیشرفت کرده بود که می‌شد از کامپیوترهای ارزان قیمت برای مصارف شخصی استفاده کرد.
از آن زمان به بعد کامپیوترها تنها در اتاق پشتیبانی نگهداری نمی‌شدند و کم کم روی میز کار منزل یا دفتر افراد ظاهر شدند تا برای نوشتن نامه‌ها، محاسبه مالیات و حتی بازی کردن مورد استفاده قرار بگیرند. امروزه بشریت در حال ورود به مرحله سوم است که در آن کامپیوترها کاهش اندازه بسیار بیشتری خواهند داشت و قادرند ما را در انجام کارهای روزانه مانند رانندگی تا منزل یکی از دوستان یا برنامه‌ریزی یک سفر تفریحی همراهی و کمک کنند.
انجام این وظایف خیلی متفاوت هستند چون برای انجام آنها به کامپیوتر با قابلیت شناسایی الگوها نیاز است. برای افزایش سرعت پیشرفت در این دوره، شرکت IBM یک چیپ جدید بر اساس مدل مغز انسان با نام TrueNorth تولید کرده است.
طراحی بی‌نظیر مغز انسان
مغز بشر به آرامی کار می‌کند، با سرعتی حدود 200 مایل بر ساعت. این میزان در مقایسه با سرعت محاسباتی چیپ‌های کامپیوتری ( که برابر با سرعت نور است) بسیار کم و غیرقابل مقایسه به نظر می‌رسد.
با این وجود، کارهایی که ابررایانه‌ها با مشقت و سختی بسیار زیاد انجام می‌دهند، کودکان خردسال آن را به راحتی هرچه تمام‌تر انجام می‌دهند، مانند شناسایی چهره یا گرفتن یک توپ. دلیل این اتفاق این است که مغز انسان از لحاظ تکنولوژیک به شدت موازی پردازش می‌کند. هرکدام از چند میلیارد نورون مغز انسان قادرند به‌طور جداگانه با یکی دیگر از نورون‌ها ارتباط مستقیم برقرار کنند.
همین‌طور که تجربه بیشتری کسب می‌کنیم، سیناپس‌های مغزمان گسترش یافته و قدرت بیشتری به دست می‌آورند که مغز را جهت دسته بندی اطلاعات گوناگون در بخش‌های مرتبط و ارائه پاسخ موثر و منطقی‌تر به آنها همراهی می‌کنند.
این مراحل یادگیری نام دارند و حقیقتی خارق‌العاده محسوب می‌شود. برای درک بهتر آن، Dharmendra Modha دانشمند محقق شرکت IBM شبیه‌سازی مغز انسان از طریق ابرکامپیوترها را انجام داد. یافته‌های او بسیار تکان‌دهنده بود. حتی با استفاده از 5/ 1 میلیون پردازشگر و 8 مگاوات برق که برای روشنایی 4هزار خانوار کافی است، سرعت ابر کامپیوتر 1500 بار از سرعت مغز انسان کمتر بود.
Modha با انجام چند عملیات سریع، تخمین می‌زند که مغز انسان حدود یک میلیارد بار از کامپیوترهای امروزی موثرتر عمل می‌کند. او به این نتیجه رسید که اگر کمی از تفاوت بین کارآیی کامپیوترها و کارآیی مغز انسان را کاهش دهد، می‌تواند محصولی انقلابی تولید کند. بنابراین، او شروع به طراحی یک نوع چیپ با قابلیت‌های کاملا متفاوت نسبت به چیپ‌هایی که تاکنون دیده‌ایم، کرد. دستگاهی با قابلیت محاسبه با سرعت نور اما با طراحی برگرفته از مغز انسان.
تحولی شگرف در طراحی چیپ‌ها
این دانشمند با استفاده از یافته‌های خود، مدل طراحی شده خود را به شکل یک هسته شامل 256 نورون و 65هزار سیناپس ساخت. اما تنها طراحی و ساخت این چیپ متفاوت نبود. چیپ‌های مرسوم همگی از ترانزیستورهای کوچکی ساخته شده‌اند که هرکدام مانند سوئیچ‌های تولیدکننده صفر و یک عمل می‌کنند.
این ترانزیستورها به نوبت در مدار منطقی Boolean جای‌گذاری می‌شوند و دستورات Not، OR، AND را اجرا می‌کنند. این کلمات دستور زبان کامپیوترها برای درک دنیای اطراف محسوب می‌شوند. اما چیپ TrueNorth که Modha ساخته به شکل کاملا متفاوتی عمل می‌کند.
در این مدل هر یک از نورون‌ها زمانی که سیگنال‌های دریافتی آن به حد خاصی می‌رسد، روشن می‌شود و سپس سیگنال‌ها را به یک نورون دیگر ارسال می‌کند و تمامی سیگنال‌های متفاوت را با فاصله کم و به‌صورت یکپارچه در کنار هم جمع می‌کند. این ویژگی باعث کاهش مصرف برق شده و به چیپ‌ها امکان انجام وظایف به شکل کاملا هماهنگ با یکدیگر را می‌دهد.
عصر جدید محاسبات
چیپ‌های نورومورفیک(TrueNorth) سه مشخصه اصلی دارند که آنها را به بخشی مهم از عصر جدید محاسبات کامپیوتری تبدیل می‌کند. اول، معماری به کار رفته در آنها که این چیپ‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای تشخیص الگوها از جمله تشخیص صدا و چهره، عکسبرداریهای پزشکی و درک الگوی دیتاها که از طریق آن سیستم‌ها بتوانند مدارک جعلی یا فعالیت‌های مجرمان در شبکه‌ها را تشخیص دهند، تبدیل خواهد کرد.
دوم اینکه این چیپ‌ها قابلیت تولید در سایزهای مختلف را دارند و می‌توان آنها را به‌صورت تک‌هسته‌ای یا در تعداد بالا تولید کرد. بنابراین، هسته نورومورفیک که تنها کمی از تار موی انسان ضخیم‌تر است، قابل به‌کارگیری در سنسورها برای پردازش دیتا در داخل منبع دریافت اطلاعات است. Modha می‌گوید: «با این کار دیگر نیازی به انتقال دیتاها برای انجام محاسبات روی آنها نخواهد بود و محاسبات در داخل دستگاه انجام می‌گیرد.»
اخیرا نیز شرکت IBM یک سری 16 تایی از این چیپ‌ها را در لابراتوار ملی Lawrence Livermore نصب کرده است که شامل 16میلیون نورون و 5 میلیارد سیناپس می‌شود و به منظور انجام شبیه‌سازی‌های پیشرفته و برنامه‌های یادگیری ماشینی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
این سری چیپ‌ها که از جعبه کفش کوچک‌تر هستند، می‌توانند جایگزین ابرکامپیوترهای با قابلیت مشابه شوند. در کل، چیپ‌های نورومورفیک هزاران بار از چیپ‌های معمولی، موثرتر هستند و تنها بخش کوچکی از برق مورد نیاز چیپ‌های امروزی را مصرف می‌کنند. بنابراین روبات‌ها می‌توانند با ذخایر باتری کوچک‌تر انجام وظیفه کنند و اسمارت‌فون‌هایمان نیز قادر خواهند بود وظایفی مانند تشخیص صدا و مسیریابی را بدون اتلاف باتری برایمان انجام دهند.
مسیری برای تحول
همان‌طور که در گذشته گفته‌ایم، نوآوری هیچ‌گاه یک رخداد لحظه‌ای نبوده و همواره نیازمند کشف و بینش درونی، مهندسی راهکار‌ها و تحول صنعت است. واضح است که Modha مرحله اول و دوم را با موفقیت پشت سر گذاشته اما مرحله آخر ممکن است ده‌ها سال طول بکشد. از نظر مردم تکنولوژی تا زمانی که در اختیار لوله‌کش‌ها و مغازه‌داران قرار نگیرد، تکنولوژی محسوب نمی‌شود.
به همین دلیل Modha و شرکت IBM این چیپ‌های انقلابی خود را در اختیار محققان قرار داده‌اند تا از آنها در برنامه‌های اجرایی جدیدشان استفاده کنند. در حال حاضر 100 نمونه از این چیپ‌ها در موسسات آکادمیک و دولتی در حال استفاده هستند و در آینده نیز به تعداد آنها افزوده خواهد شد. در حال حاضر شرکت IBM برای افزایش درک افراد از کارآیی این چیپ‌ها، کلاس‌های عملی را برای مهندسان برگزار می‌کند.
در سال‌های آینده IBM با مشتریانی از جمله شرکت‌های فعال در بخش تحلیل داده‌ها همکاری‌هایی خواهد داشت تا از این طریق برنامه‌های مختص چیپ TrueNorth بیشتری تولید کند. شرکت با گسترش شبکه مشتریان خود می‌تواند نسل جدیدی از محصولات به‌خصوص در بخش روباتیک، عکسبرداریهای پزشکی و خودروهای تمام اتوماتیک تولید کند.
برای بقیه افراد جامعه، چیپ‌های نورومورفیک خیلی ملموس نخواهند بود و تنها عده کمی از افراد عادی فرصت مشاهده و توانایی شناسایی این چیپ‌ها را خواهند داشت. اما تغییر در نحوه تعامل افراد با تکنولوژی برای همه مردم ملموس خواهد بود. در ضمن نحوه تفکر کامپیوترها نیز با شباهت بیشتری به انسان‌ها همراه خواهد بود و البته در انجام موثرتر وظایف و همکاری با دیگر دستگاه‌ها، ما را بیشتر از قبل همراهی خواهند کرد.
این نسل از کامپیوترها اکثرا در زمینه محاسبات علمی یا بخش پشتیبانی شرکت‌های بزرگ مورد استفاده قرار می‌گرفتند.
تا دهه 80 میلادی، تکنولوژی آنقدر پیشرفت کرده بود که می‌شد از کامپیوترهای ارزان قیمت برای مصارف شخصی استفاده کرد.
از آن زمان به بعد کامپیوترها تنها در اتاق پشتیبانی نگهداری نمی‌شدند و کم کم روی میز کار منزل یا دفتر افراد ظاهر شدند تا برای نوشتن نامه‌ها، محاسبه مالیات و حتی بازی کردن مورد استفاده قرار بگیرند. امروزه بشریت در حال ورود به مرحله سوم است که در آن کامپیوترها کاهش اندازه بسیار بیشتری خواهند داشت و قادرند ما را در انجام کارهای روزانه مانند رانندگی تا منزل یکی از دوستان یا برنامه‌ریزی یک سفر تفریحی همراهی و کمک کنند.
انجام این وظایف خیلی متفاوت هستند چون برای انجام آنها به کامپیوتر با قابلیت شناسایی الگوها نیاز است. برای افزایش سرعت پیشرفت در این دوره، شرکت IBM یک چیپ جدید بر اساس مدل مغز انسان با نام TrueNorth تولید کرده است.
طراحی بی‌نظیر مغز انسان
مغز بشر به آرامی کار می‌کند، با سرعتی حدود 200 مایل بر ساعت. این میزان در مقایسه با سرعت محاسباتی چیپ‌های کامپیوتری ( که برابر با سرعت نور است) بسیار کم و غیرقابل مقایسه به نظر می‌رسد.
با این وجود، کارهایی که ابررایانه‌ها با مشقت و سختی بسیار زیاد انجام می‌دهند، کودکان خردسال آن را به راحتی هرچه تمام‌تر انجام می‌دهند، مانند شناسایی چهره یا گرفتن یک توپ. دلیل این اتفاق این است که مغز انسان از لحاظ تکنولوژیک به شدت موازی پردازش می‌کند. هرکدام از چند میلیارد نورون مغز انسان قادرند به‌طور جداگانه با یکی دیگر از نورون‌ها ارتباط مستقیم برقرار کنند.
همین‌طور که تجربه بیشتری کسب می‌کنیم، سیناپس‌های مغزمان گسترش یافته و قدرت بیشتری به دست می‌آورند که مغز را جهت دسته بندی اطلاعات گوناگون در بخش‌های مرتبط و ارائه پاسخ موثر و منطقی‌تر به آنها همراهی می‌کنند.
این مراحل یادگیری نام دارند و حقیقتی خارق‌العاده محسوب می‌شود. برای درک بهتر آن، Dharmendra Modha دانشمند محقق شرکت IBM شبیه‌سازی مغز انسان از طریق ابرکامپیوترها را انجام داد. یافته‌های او بسیار تکان‌دهنده بود. حتی با استفاده از 5/ 1 میلیون پردازشگر و 8 مگاوات برق که برای روشنایی 4هزار خانوار کافی است، سرعت ابر کامپیوتر 1500 بار از سرعت مغز انسان کمتر بود.
Modha با انجام چند عملیات سریع، تخمین می‌زند که مغز انسان حدود یک میلیارد بار از کامپیوترهای امروزی موثرتر عمل می‌کند. او به این نتیجه رسید که اگر کمی از تفاوت بین کارآیی کامپیوترها و کارآیی مغز انسان را کاهش دهد، می‌تواند محصولی انقلابی تولید کند. بنابراین، او شروع به طراحی یک نوع چیپ با قابلیت‌های کاملا متفاوت نسبت به چیپ‌هایی که تاکنون دیده‌ایم، کرد. دستگاهی با قابلیت محاسبه با سرعت نور اما با طراحی برگرفته از مغز انسان.
تحولی شگرف در طراحی چیپ‌ها
این دانشمند با استفاده از یافته‌های خود، مدل طراحی شده خود را به شکل یک هسته شامل 256 نورون و 65هزار سیناپس ساخت. اما تنها طراحی و ساخت این چیپ متفاوت نبود. چیپ‌های مرسوم همگی از ترانزیستورهای کوچکی ساخته شده‌اند که هرکدام مانند سوئیچ‌های تولیدکننده صفر و یک عمل می‌کنند.
این ترانزیستورها به نوبت در مدار منطقی Boolean جای‌گذاری می‌شوند و دستورات Not، OR، AND را اجرا می‌کنند. این کلمات دستور زبان کامپیوترها برای درک دنیای اطراف محسوب می‌شوند. اما چیپ TrueNorth که Modha ساخته به شکل کاملا متفاوتی عمل می‌کند.
در این مدل هر یک از نورون‌ها زمانی که سیگنال‌های دریافتی آن به حد خاصی می‌رسد، روشن می‌شود و سپس سیگنال‌ها را به یک نورون دیگر ارسال می‌کند و تمامی سیگنال‌های متفاوت را با فاصله کم و به‌صورت یکپارچه در کنار هم جمع می‌کند. این ویژگی باعث کاهش مصرف برق شده و به چیپ‌ها امکان انجام وظایف به شکل کاملا هماهنگ با یکدیگر را می‌دهد.
عصر جدید محاسبات
چیپ‌های نورومورفیک(TrueNorth) سه مشخصه اصلی دارند که آنها را به بخشی مهم از عصر جدید محاسبات کامپیوتری تبدیل می‌کند. اول، معماری به کار رفته در آنها که این چیپ‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای تشخیص الگوها از جمله تشخیص صدا و چهره، عکسبرداریهای پزشکی و درک الگوی دیتاها که از طریق آن سیستم‌ها بتوانند مدارک جعلی یا فعالیت‌های مجرمان در شبکه‌ها را تشخیص دهند، تبدیل خواهد کرد.
دوم اینکه این چیپ‌ها قابلیت تولید در سایزهای مختلف را دارند و می‌توان آنها را به‌صورت تک‌هسته‌ای یا در تعداد بالا تولید کرد. بنابراین، هسته نورومورفیک که تنها کمی از تار موی انسان ضخیم‌تر است، قابل به‌کارگیری در سنسورها برای پردازش دیتا در داخل منبع دریافت اطلاعات است. Modha می‌گوید: «با این کار دیگر نیازی به انتقال دیتاها برای انجام محاسبات روی آنها نخواهد بود و محاسبات در داخل دستگاه انجام می‌گیرد.»
اخیرا نیز شرکت IBM یک سری 16 تایی از این چیپ‌ها را در لابراتوار ملی Lawrence Livermore نصب کرده است که شامل 16میلیون نورون و 5 میلیارد سیناپس می‌شود و به منظور انجام شبیه‌سازی‌های پیشرفته و برنامه‌های یادگیری ماشینی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
این سری چیپ‌ها که از جعبه کفش کوچک‌تر هستند، می‌توانند جایگزین ابرکامپیوترهای با قابلیت مشابه شوند. در کل، چیپ‌های نورومورفیک هزاران بار از چیپ‌های معمولی، موثرتر هستند و تنها بخش کوچکی از برق مورد نیاز چیپ‌های امروزی را مصرف می‌کنند. بنابراین روبات‌ها می‌توانند با ذخایر باتری کوچک‌تر انجام وظیفه کنند و اسمارت‌فون‌هایمان نیز قادر خواهند بود وظایفی مانند تشخیص صدا و مسیریابی را بدون اتلاف باتری برایمان انجام دهند.
مسیری برای تحول
همان‌طور که در گذشته گفته‌ایم، نوآوری هیچ‌گاه یک رخداد لحظه‌ای نبوده و همواره نیازمند کشف و بینش درونی، مهندسی راهکار‌ها و تحول صنعت است. واضح است که Modha مرحله اول و دوم را با موفقیت پشت سر گذاشته اما مرحله آخر ممکن است ده‌ها سال طول بکشد. از نظر مردم تکنولوژی تا زمانی که در اختیار لوله‌کش‌ها و مغازه‌داران قرار نگیرد، تکنولوژی محسوب نمی‌شود.
به همین دلیل Modha و شرکت IBM این چیپ‌های انقلابی خود را در اختیار محققان قرار داده‌اند تا از آنها در برنامه‌های اجرایی جدیدشان استفاده کنند. در حال حاضر 100 نمونه از این چیپ‌ها در موسسات آکادمیک و دولتی در حال استفاده هستند و در آینده نیز به تعداد آنها افزوده خواهد شد. در حال حاضر شرکت IBM برای افزایش درک افراد از کارآیی این چیپ‌ها، کلاس‌های عملی را برای مهندسان برگزار می‌کند.
در سال‌های آینده IBM با مشتریانی از جمله شرکت‌های فعال در بخش تحلیل داده‌ها همکاری‌هایی خواهد داشت تا از این طریق برنامه‌های مختص چیپ TrueNorth بیشتری تولید کند. شرکت با گسترش شبکه مشتریان خود می‌تواند نسل جدیدی از محصولات به‌خصوص در بخش روباتیک، عکسبرداریهای پزشکی و خودروهای تمام اتوماتیک تولید کند.
برای بقیه افراد جامعه، چیپ‌های نورومورفیک خیلی ملموس نخواهند بود و تنها عده کمی از افراد عادی فرصت مشاهده و توانایی شناسایی این چیپ‌ها را خواهند داشت. اما تغییر در نحوه تعامل افراد با تکنولوژی برای همه مردم ملموس خواهد بود. در ضمن نحوه تفکر کامپیوترها نیز با شباهت بیشتری به انسان‌ها همراه خواهد بود و البته در انجام موثرتر وظایف و همکاری با دیگر دستگاه‌ها، ما را بیشتر از قبل همراهی خواهند کرد.
۰
