Kiinalaistutkijat kehittivät uuden hermodynamiikkajärjestelmän sirun

Kiinalaiset tutkijat Pekingin yliopistosta ja Kiinan tiedeakatemian Shanghain mikroelektroniikan ja tietotekniikan instituutista ovat kehittäneet ja julkaisseet uraauurtavan tutkimuksen uudesta neurodynaamisen laskennan sirusta. Julkaistu arvostetussa Science-lehdessä, työ esittelee maailman ensimmäisen neurodynaamisen järjestelmän sirun, joka hyödyntää vaihdonmuistiresistoreita ja pystyy toimimaan millisekuntien aikaskaalassa.

Tutkimus ratkaisee pitkään jatkuneen haasteen vaihdonmuistiresistorien käytössä, eli "in-memory computing" (laskenta muistin sisällä) mahdollistamisen ja sen hallinnan. Uusi siru on tiettävästi ensimmäinen, joka pystyy suorittamaan neuro dynaamisen järjestelmän yksittäisen laskenta-askeleen vain 2,12 millisekunnissa.

Neuro dynaamiset järjestelmät yhdistävät neuroverkkojen ilmaisuvoiman differentiaaliyhtälöiden jatkuvaan evoluutioon. Niillä on potentiaalia fysikaalisen maailman mallintamisessa, laskennallisessa kuvantamisessa ja muilla aloilla. Tähän asti reaaliaikaisen, matalan viiveen laskennan toteuttaminen korkean tarkkuuden jatkuvalla mallinnuksella on ollut merkittävä este sovellusten yleistymiselle.

Tutkimusryhmä esittelee uuden "kontrolloitavan in-memory computing" -paradigman, joka perustuu vaihdonmuistiresistoreiden ominaisuuksien tarkkaan säätelyyn. Tämä mahdollistaa tehokkaan laskennan suoraan muistissa, yhdistäen laitteiston fyysiset ominaisuudet neuro dynaamisiin algoritmeihin. Kehitetty 40 nanometrin prosessilla valmistettu siru on kooltaan vain 0,28 neliömillimetriä ja sisältää kaikki tarvittavat piirit. Se toimii 50 MHz taajuudella ja suorittaa yhden integraatioaskeleen vain yhdeksällä liukuhihnan vaiheella.

Kokeelliset tulokset osoittavat, että uusi siru on huomattavasti nopeampi ja energiatehokkaampi kuin nykyiset erikoiskiihdyttimet (ASIC) ja jopa NVIDIA A100 GPU. Brain-computer interface (BCI) -teknologioiden kehityksessä erityisesti aivojen mallintamisen nopeus voi mullistaa alan. Järjestelmä voi mahdollistaa hermosignaalien reaaliaikaisen analysoinnin, aivojen tilan ennustamisen ja suljetun kierron ohjauksen, vieden BCI-sovellukset yksinkertaisesta signaalintunnistuksesta kohti älykkäämpää aivotoiminnan mallinnusta ja vuorovaikutusta.