مقدمة إلى برنامج تجهيز الإشارات العصبية بكفاءة الطاقة

وتشكل معدات تجهيز الإشارات العصبية العمود الفقري للتفاعلات بين أجهزة حواسيب المخ والجهاز الطبي المزروعة، وأجهزة الطاقة الكهربائية التي تفسر النشاط العصبي في الوقت الحقيقي، ونظرا لأن هذه التكنولوجيات تنتقل من مختبرات البحوث إلى تطبيقات طبية ومستهلكة، فإن الطلب على المعدات التي يمكن أن تجهز البيانات العصبية ذات النطاق الترددي العالي بأقل استهلاك للطاقة قد أصبح أمرا ملحا.

الدور الحاسم لكفاءة الطاقة

(ب) أن الأجهزة العصبية [الطاقية الفعالة تعالج مباشرة عدة قيود عملية تحد من انتشار الوصلات العصبية، وفي أجهزة قابلة للزراعة مثل صفائف الكهرباء أو أجهزة التحفيز العميقة، يجب أن يظل تفكك الطاقة دون بضعة مليارات لتجنب تسبيب الأنسجة والضرر الحراري، كما أن رؤوس الغازات الكهربائية المحمولة ونظم الارتداد العصبية الباطلة تتطلب حياة ممتدة لدعم الاستخدام اليومي.

كما أن تصميمات كفاءة الطاقة تسهم في سلامة الإشارات بتقليل الضوضاء الكهربائية التي تنتج عن التحول العالي التردد أو تنظيم التطاير، وفي العديد من تطبيقات التسجيل العصبي، فإن نطاق الإشارة يرتدى على ترتيب الفولاط، مما يجعل النظام عرضة بدرجة كبيرة للتدخل من الأجهزة الإلكترونية للطاقة، ومن خلال خفض إجمالي رسم الطاقة واستخدام تقسيم دقيق للقطع اللامعية والرقمية، يمكن للمصممين الحفاظ على نسبة الجيل إلى الجيل اللازم

الاستراتيجيات الرئيسية للتصميمات الخاصة بالمناطق المنخفضة

تقنيات تصميم الدوائر ذات النقاط المنخفضة

At the transistor level, a variety of techniques have been developed to reduce power consumption without sacrificing performance. Sub-threshold operation, where transistors are biased below their threshold voltage, allows for extremely low dynamic power at the cost of reduced speed. For neural signals that typically have bandwidths below a few kiloher,

وثمة تقنية رئيسية أخرى هي gating and power gating]، التي تعطل إشارات الساعة أو تزيل تماماً الطاقة من الدوائر الفرعية غير النشطة، وفي مجهزة الإشارات العصبية، قد تكون هناك قنوات كثيرة بين التصاميم؛ ويمكن أن يؤدي ضخ الطاقة هذه القنوات إلى وفورات كبيرة.

إجهاد البيانات وكشفها

(أ) تُظهر البيانات العصبية في كثير من الأحيان تكراراً كبيراً وفصلاً؛ وتُعتبر إمكانات العمل (العمليات) مقتضبة مفصَّلة عن فترات أطول فيما بين السلاسل، وتحتوي الإمكانات الميدانية المحلية على الطاقة المتمركزة في إطار النطاقات المنخفضة التردد، ويمكن للمعدات أن تقلل من حجم المعلومات التي يجب نقلها عن طريق الاتصال اللاسلكي أو تخزينها، مما يوفر الطاقة في كل من مراحل التجهيز.

ولا يمكن تنفيذ خوارزميات الضغط المفقودة من خلال أجهزة التضليل أو تعديل النبض التفاضلي، إلا بحسابات الحد الأدنى من البوابات، حيث لا يمكن أن تُستخدم أساليب أكثر تطوراً في المعالجة بواسطة نظام " FLT:0 " ، إلا إذا كانت هذه البيانات ذات الصلة تُخفض بنسبة 6 في المائة، إلا عند الحد الأدنى من متوسط سعر الصرف.

حواسيب تقريبية للتعجيل العصبية

كما أن خوارزميات تجهيز الإشارات العصبية كثيرا ما تحتمل مستويات معينة من الخطأ الرقمي دون نتائج سريرية أو تجريبية مهينة. ]([الحساب التقريبي ) يستغل هذا التسامح باستخدام وحدات قياسية مبسطة تقل فيها القوة لكل عملية، وعلى سبيل المثال، يمكن الاستعاضة عن المضاعفات الدقيقة بشبكة متطورة أو لوغارية أن تقلل من الطاقة

ويمكن للمصممين أيضاً استخدام الإفراط في التصعيد ]، حيث يقل حجم الإمدادات إلى أدنى من المستوى الاسمي، مما يتسبب في أخطاء في التوقيت تخفف من نسقها الغيوم، وهذا الأسلوب يتطلب تصميماً دقيقاً من الخوارزمي ليكون مسبباً للأخطاء، ولكن عند تطبيقه على إنتاجية النيوزيون.

المعمار الابتكاري للمعاهد الصلبة

حاسوب الأورام العصبية

أجهزة التجميل العصبية تُحدث مباشرة هيكل وديناميات الشبكات العصبية البيولوجية باستخدام الخلايا العصبية الاصطناعية، والسلاسل البلاستيكية المعتمدة على التوابل، وخلافاً لبنايات الفول السوداني التقليدية التي تُحدث بيانات مكوكية بين الذاكرة والمعالجة، تؤدي نظم الصبغة العصبية الحاسبة والذاكرة في وحدات متزامنة ذات دوافع الأحداث.

وبالنسبة لأجهزة معالجة الإشارات العصبية، يمكن تصميم رقائق الأورام العصبية على إدارة عمليات فرز الأوعية، وزيارة التزيين، بل وحتى الحفزات المغلقة، على نحو مباشر في الأحداث العصبية المسجلة، لأن التمثيل يُعدُّ بطبيعته، ولا يلزم تحويل الرؤوس المشابهة إلى أرقام كاملة؛ وبدلاً من ذلك، يمكن للنهاية الأمامية أن تنتج مباشرةً عن طريق إطلاق ناري مُفرَق.

المحاليل والمعالجة الجماعية

وللدوائر المتطورة مزايا متأصلة بالنسبة لبعض الحواسيب العصبية، مثل التصفير، والتضخيم، والتكامل، لأنها تجهز إشارات في مجال مستمر للعرض المستمر دون الضوضاء الكمية، وتحوّل القوة من المنطق الرقمي. Analog front-end amplifiters with programmable gain and bandpass filtering

غير أن نظم التناظر النقية تعاني من محدودية قابلية البرمجة، وسوء المطابقة، وتراكم الضوضاء، والحلول الوسطي الشعبي هو ] تجهيز الإشارات ، حيث تظل عمليات الوصلات الأمامية الحرجة متماثلة، بينما يحدث التكتل لاحقاً بمعدل أو قرار أقل.

الحاسوب في الذكر

وفي التصميمات الرقمية التقليدية، كثيرا ما تهيمن تكلفة الطاقة لنقل البيانات بين وحدات الذاكرة والتجهيز على الطاقة الكلية، ويعالج هذا الحساب في إطار الاختبارات، وذلك عن طريق القيام بعمليات طاردية مباشرة داخل مصفوفة الذاكرة، باستخدام أجهزة جديدة مثل ] إعادة تصميم نظم الإدارة أو ذاكرة تغيير المرحلة .

وقد أظهرت المظاهرات الأخيرة أن المعجلات التي تتخذ من المركز الدولي للرصد والتقييم يمكن أن تحقق كفاءة الطاقة التي تتجاوز 10 نقاط مئوية/ميغاواط (عمليات نقل لكل ثانية لكل واط) من أجل الدقة في استخدام ثماني مصانع رقمية أفضل بكثير من المجهزات الرقمية التقليدية، وعلاوة على ذلك، فإن الطابع غير الطوعي لجهاز PCM أو RRAM يجب أن يتيح التشغيل الفوري، وهو أمر قيم بالنسبة لأجهزة مجهزة خصيصا للإبقاء على القدرة على الطاقة.

التحديات في تصميم برامج الطاقة - الكفاءة

المقايضة الأساسية

وكل قرار تصميمي في معدات تجهيز الإشارات العصبية ينطوي على مقايضة بين القوة والأداء والمنطقة والدقة. Increasing the number of recording channels] يتطلب المزيد من أجهزة الاستنشاق الأمامية، وأجهزة تحديد البيانات الرقمية، مما يزيد مباشرة من استهلاك الطاقة، ولإقامة أجهزة تحديد النطاقات في إطار جهاز ثابت، يجب على المصممين أن يقللوا من ميزانية القوة الدائمة.

وبالمثل، فإن الحصول على درجة أعلى من الدقة في التصنيف ] بالنسبة للزيارات العصبية يتطلب عادة وجود شبكات عصبية أعمق أو قواميس أكبر، مما يزيد من الحمولة الحسابية، ويمكن أن يؤدي حسابها أو خفضها بدقة إلى التخفيف من ذلك، ولكن هناك خطر فقدان معلومات حاسمة بالنسبة لمقصود الكشف عن الإشارات الفرعية.

الإدارة الحرارية في الأجهزة غير المُخطط لها

أما بالنسبة للأجهزة التي تزرع في الدماغ أو الحبل الشوكي، فإن الميزانية الحرارية شديدة الضيق جداً. يمكن أن يؤدي التدفئة فوق درجة حرارة 1-2C إلى الوفاة في الخلايا وإلى استجابات تحريضية ، مما يحد من التشريح الكلي لرقائق الطاقة في بعض الأحيان المميتة.

المواد وتكنولوجيا العمليات

وفي الوقت نفسه، فإن المواد الناشئة مثل 2 من الموصلات شبه المتسعة (مثلاً، الموصلات الغرافية المتوسطة) و يمكن أن تؤدي هذه المواد الفرعية المرنة [() إلى إمكانية وجود تفاعلات عصبية أكثر قابلية للتطابق مع الخصائص الميكانيكية للموثوقية العصبية.

المستقبل

تعليم الآلات من أجل استخدام برامجيات هاردواير على الوجه الأمثل

(أ) أن التعلم من الآلات يستخدم على نحو متزايد لتشغيل تصميم الأجهزة العصبية الفعالة من حيث الطاقة، مثلاً، يمكن للتعلم من التعزيز أن يستكشف المفاضلة بين أدوات التناظر والتجهيز الرقمي لإيجاد هياكل مركبية بديلة، ويمكن أن تضبط تقنيات التوحيد الآلي مقاييس للشبكات العصبية التي تُقصد بها أجهزة التحلل الحراري لتقليل الطاقة إلى أدنى حد مع الحفاظ على الدقة. [الحجم اليدوي]

التكامل المتجانس والتجميع المتقدم

ولا يمكن أن يؤدي هذا التضارب في الطلبات على ارتفاع الأداء وانخفاض الطاقة، إلى التكامل غير المتجانس ، حيث يمكن أن تشمل الرقائق التي تُبنى في مختلف تكنولوجيات العمليات (مثلاً، أجهزة الاستنشاق ذات النطاق الترددي المنخفض، وأجهزة التحكم في استخدام الطاقة الكهربائية، وأجهزة الاستشعار المتعددة الأطراف) تركيبها أو تداخلها معاً.

نظم مغلقة وقائمة على التكيف

ويمكن أن تشمل أجهزة التقاط المعادن النيوزيائية قدرات الغلق ] حيث يتم تقديم التحفيز على أساس التزيين العصبي في الوقت الحقيقي، ولا يتطلب ذلك فقط طاقة منخفضة بل أيضاً سرعة عالية، كما أن المعدات التي يمكن أن تجهز الإشارات وتولد نبضات تحفيزية في غضون بضعة مليمترات من الحملات العصبية هي عوامل حاسمة بالنسبة للتطبيقات العلاجية مثل الاستجابة.

السلطة ونقل البيانات

(ب) إزالة الحاجة إلى بطارية مادية هي الهدف النهائي للعديد من المركبات الثنائية السائلة المزروعة.

خاتمة

ويتطلب تصميم معدات تجهيز الإشارات العصبية الفعالة من حيث الطاقة نهجا متعدد الجوانب يولد تقنيات الدوائر، والابتكار في مجال الهندسة، وعلم المواد، والتصميم المختلط، ومن خلال الأخذ بأساليب الدوائر الكهربائية المنخفضة القدرة مثل عمليات النقل الفرعي، وتنويم الطاقة، وحسابات الوصل، يمكن للمصممين أن يقللوا بشكل كبير من متوسط دقة البيانات المركبة التي تحركها الطاقة.

بيد أن تحديات كبيرة ما زالت قائمة في تحقيق التوازن بين القوة والدقة والسلامة الحرارية، لا سيما بالنسبة للأجهزة التي يمكن زرعها، فالبحوث الجارية في المواد الجديدة، والتكامل المتجانس، والتصميم القائم على التعلم الآلي، تدفع حدود ما هو ممكن، فمع نضج هذه التكنولوجيات، يمكننا أن نتوقع جيلا جديدا من المعدات العصبية التي لا تكون أكثر كفاءة من حيث الطاقة فحسب، بل أيضا من حيث القدرة على التفاعل الشخصي

External References]

  • J. K. Park et al., "A 0.8 V, 1.2 mi kiW/channel Neural Recording IC with Event-Driven Spike Detection," IEE Journal of Solid-State Circuits, 2021. [IEE Xplore]
  • M. Davies et al., "Loihi: A Neuromorphic Manycore Processor with On-Chip Learning," IEE Micro, 2018. (IEE Xplore)
  • S. Yu et al., " In-Memory Computing for Neural Signal Processing: A Review, " Nature Electronics, 2020. (Nature Electronics)
  • B. C. Lee et al., "Approximate Computing for Low-Power Neural Signal Decoders," IEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 2019. (IEE TBioCAS)
  • D. Seo et al., "Heterogeneous Integration of Neural Recording and Stimulation ASICs for closed-Loop Implants," IEE Journal of Solid-State Circuits, 2022. (IEE Xplore)