مستقبل تصميم أجهزة تجهيز صغيرة مع مبادئ الحاسوب العصبي

أهم التطلعات البيولوجية

• Spiking neurons:] Neurons in neuromorphic equipment only fire when input exceeds a threshold, producing an event (spike). This event-driven computation means that the system remains largely inactive until needed,ving energy.
• Synaptic plasticity:] Synaptic weights are adjusted based on the relative timing of pre- and post-synaptic spikes, enabling learning directly on the equipment.
• Massive parallelism:] A single brain contains billions of neurons and trillions of synapses, all operating concurrently. Neuromorphicرقs replicate this parallelism with arrays of neuron circuits and crossbar synapse matrices.
• Asynchronous signaling:] contrast clocked digital circuits, neuromorphic systems often use asynchronous or event-driven communication, eliminating the power wasted by toggling a global clock.

How Neuromorphic hardware Differs from Conventional Processors

(ب) أن تكون هذه الأجهزة ذات القدرة على إحداث تغيرات في مستوياتها، وأن تكون أكثر قدرة على إحداث تغيرات في هذه الحالة، وأن تكون هذه الظواهر ذات طابع غير قابل للتأثر، وأن تكون أكثر تعقيداً في هذه الحالة.

التنفيذ الرقمي مقابل التنفيذ العصبي

ويمكن تصميم رقائق اليورمورفيك إما في مجالات رقمية أو متماثلة (أو هجينة) - وتصاميم رقمية للأشعة العصبية، مثل Intel#8217؛ و(لوهي 2) تمثل ديناميات عصبية ذات أرقام مفصّلة وتستخدم منطقاً محدداً، وهي توفر حصانة أفضل من الضجيج، وقابلية للتكرار، وتيسر التكامل مع النظم الرقمية التقليدية.

أهم مزايا المشاريع الصغيرة في المستقبل

كفاءة الطاقة غير المتوقعة

والميزة الأكثر قسوة في الحوسبة العصبية هي قدرتها على خفض استهلاك الطاقة بأوامر ضخامة لبعض عبء العمل، إذ تعمل الأدمغة البيولوجية على نحو 20 واط، بينما تحتاج الحواسيب الحديثة الخارقة إلى ميغاوات لتحفيز جزء من هذا النشاط العصبي، كما أن رقائق اليورومروفية تحقق هذه الكفاءة لأنها لا تستهلك الطاقة إلا عندما تحدث آثاراً، وليس خلال فترات الوصول إلى الذاكرة.

المعالجة الدقيقة للتاريخ الحقيقي

وتسمح أجهزة الاستشعار العصبية، مثل الكاميرات القائمة على الأحداث (مثلا، جهاز الاستشعار عن بُعد الدموية)، ومجرىات إنتاج الظواهر الرماقة بدلا من الأطر الكاملة بسعر ثابت، ويمكن لمعالجات الأشعة العصبية أن تجهز هذه الأحداث عند وصولها، وأن تستجيب للبطء الثاني الجزئي، وهذا مثالي للآليات السريعة الحركة، وللتحكم في المركبات بصورة مستقلة، وللتجهيزات الصناعية قبل الإطار التقليدي.

التعلم والقابلية للاعتماد

وتدير المعالجات الدقيقة التقليدية شبكات عصبية مُدربة مسبقاً؛ ويتم التعلم خارج الشبكة على معدات منفصلة (عادة ما تكون وحدات التجهيز العالمي)، ويمكن للرقائق العصبية أن تنفذ قواعد التعلم المحلية مثل النظام الأساسي للبيانات مباشرة في المعدات، مما يتيح للنظام التكيف مع البيانات الجديدة في الوقت الحقيقي دون الحاجة إلى حاسوب مضيف، مما يتيح التعلم المستمر، حيث يمكن للجهاز تحديث معارفه بشأن الذبابة، مما يجعلها مثالية للوصلات البينية بين المستعملين المتطورة، وعلامة البيئية.

التسامح والعجز

ونظراً إلى أن الحاسب العصبي موزع ومبالغة، فإن النظم العصبية التغذوية هي في جوهرها عوامل تسامح خاطئة، ففقدان جهاز عصبي واحد أو مركب في شبكة ما يؤدي عادة إلى تدهور الأداء بدلاً من التسبب في فشل كارثي، وهذه الممتلكات قيمة بالنسبة لبعثات الفضاء الطويلة الأجل، أو استكشاف أعماق البحار، أو أي تطبيقات يكون فيها إصلاح الأجهزة أمراً مستحيلاً.

مجهزات ومشاريع ذات سمعة عصبية بارزة

Intel Loihi 2

In[0 workload#8217;s Loihi 2 is a digital neuromorphic research processor that supports up to 1 million neurons and 120 million synapses perرق. It features programmable synaptic delays, graded spikes, and multiple compartment researchns. Loihi 2 also introduces a native interface to Inural#8217;s Lava software framework up SNNFri

IBM TrueNorth

IBM#8217;s TrueNorth, introduced in 2014, contains 4096 neurosynaptic cores, each with 256 neurons and 256 temp6#215;256 crossbar synapses, totaling 1 million neurons and 256 million synapses. It operates at extremely low power (roughly 70 mW) and uses an event-driven structure. WhileeNorth was designed primarily

الدماغ و SpiNNaker

وتأخذ هذه المشاريع الأوروبية نُهجاً مختلفة، فالنظام الدماغي (هيدلبرغ) هو نظام قياسي للأشعة العصبية يُدار بسرعة 10 آلاف سُرعة من الزمن الحقيقي البيولوجي، مما يجعله مفيداً لدراسة الديناميات العصبية الطويلة الأجل، ومشروع SpiNNaker (مانشيستر) نظام رقمي مصمم للتحفيز الفعلي للشبكات العصبية الكبيرة، باستخدام العديد من نواة إدارة الموارد البشرية المترابطة بشبكة مصممة.

التحديات التي تواجه المعالجات الدقيقة لليوروموروفيك

Algorithmic and Software Mismatch

ومعظم برامجيات التنفيذ الحالية مصممة للشبكات العصبية التقليدية وغير المفتقرة إلى النسيج، وكثيرا ما تتكبد هذه البرامج فقداناً دقيقاً أو تتطلب إعادة تدريب، وعلاوة على ذلك، فإن تدريب هذه الشبكات مع توفير الحماية الخلفية أمر صعب نظراً إلى الطابع غير المختلف للأحداث التي تُمارس في إطار التوابل، وقد ظهرت أساليب التدرج البديلة، ولكن أدوات وأطر البحث القائمة لا تزال محدودة (مثل دعم النظام الإيكولوجي).

النطاق والتسعير

وفي حين يمكن اختلاق الرقائق العصبية باستخدام عمليات قياسية في نظام الرصد والتحقق والتفتيش، فإن إدماج المشابكات المتينة مع الدوائر العصبية التابعة للجنة البحرية الدولية يُدخل تعقيدات في التصنيع، ويستلزم تفاوت وتحمل أجهزة الذاكرة غير المتطورة الناشئة (الأجهزة المُعَدَّدة، وأجهزة الاتصال بأجهزة الاتصال بأجهزة تبادل المعلومات عن بعد) وجود تطابق بين المستوى المطلوب لإنتاج أجهزة ذات حجم عال تجاري.

الافتقار إلى الهياكل الأساسية الموحدة

وعلى عكس نموذج فون نيومان، الذي له مجموعة تعليم محددة جيدا وتفاعل للذاكرة، تختلف الهياكل العصبية التغذوية اختلافا كبيرا، حيث يقوم كل فريق بحث بتنفيذ نماذج عصبية مختلفة وقواعد للتعلم وخطط للاتصال، مما يجعل من الصعب وضع برامجيات محمولة أو مقارنة للأداء، والجهود مثل Intel#8217؛ و " إطار لافا " و " براينسكالس " 2 " تهدف إلى توفير بعض الأعمال الصناعية الموحدة، ولكن " .

القدرة المحدودة على التوريد

ويرجح أن تكون المجهزات العصبية في مهام ملهمة عصبية ولكنها تؤدي أداء ضعيفاً في عبء العمل التقليدي (مثل تجهيز الكلمات وقواعد البيانات والرياضيات العائمة) ونتيجة لذلك، من المرجح أن تكون مجهزة أو مسرعات إلى جانب وحدات الاستهلاك المتناهي الصغر التقليدية، مثل وحدات التوزيع العالمي اليوم، مما يشكل تكاملاً فعالاً على نفس برمجة النظام أو مجموعة من النماذج تحديات في مجال التصميم.

مسارات التكامل: نظم الحاسوب الهجينة

وقد يكون المستقبل القريب من المدى الأخطر للأجهزة المجهرية العصبية هو المعجلات المتخصصة في إطار منابر حاسوبية متجانسة، مثلاً، قد تشمل أجهزة حاسوبية متنقلة تعمل بنظام على الأشعة فوق البنفسجية للمهام العامة الغرض، وجهاز اختبار GPU لبطاقات العمل المتوازية، وجهاز اختبارات قياسي للأشعة فوق البنفسجية لمعالجة أجهزة الاستشعار والاختلاط التكي.

التطبيقات المحتملة للتحوّل

ايدج آي و إنترنت الأشياء

ويمكن للمعالجات العصبية ذات القدرة المنخفضة أن تتيح للمنشطات الفضائية مباشرة على أجهزة الاستشعار التي تعمل بالبطارية والكاميرات والميكروفونات التي لا توجد فيها وصلات سحابية، وعلى سبيل المثال، يمكن لجهاز قياس الأعصاب في جهاز منزل ذكي أن يستمع باستمرار إلى الكلمات الرئيسية بينما يستهلك الميكروات، ويتيح دائماً الحصول على أوامر صوتية دون أن يستنفد البطاريات، وبالمثل، يمكن للمستشعرات الصناعية أن تكشف عن وجود أعراض في الزمن.

المركبات الآلية والروبوتات المستقلة

وتتيح رؤية الأحداث، مقرونة بتجهيزات الأشعة العصبية، تصوراً للمركبات المستقلة ذاتياً بدرجة عالية، ويمكن لرقاقة عصبية معالجة كل حدث من كاميرا الدي في إس، كما يحدث، مما يتيح تجنب العقبة في أوقات الاستجابة الثانية بعد الثانية، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن لمراقبي الأعصاب أن ينفذوا حلقات مؤثرة في الحساسية تكيف باستمرار مع البيئات المتغيرة، وتقلبات بيولوجية ميكنغ.

الطب والتصوير العصبي

:: أجهزة الأشعة العصبية ذات الطابع الطبيعي مع النسيج العصبي البيولوجي - يقوم الباحثون بتطوير وصلات بينية بينية بينية بينية بينية للمخ تستخدم رقائق الأعصاب لتحلل الإشارات العصبية في الوقت الحقيقي، والسيطرة على الأطراف الاصطناعية أو أجهزة الحاسوب، كما أن عامل الطاقة المنخفضة والشكل الصغير يجعلها مناسبة للأجهزة غير المرئية، مثل أجهزة الحفز العميقة المغلقة التي تكيف أنماط التكاثر.

المحاكاة العلمية

ويمكن أن تعجل رقائق الأورام العصبية المحاكاة للشبكات العصبية الكبيرة، وتساعد على البحث في علم الأعصاب، كما أن المحاكاة التقليدية على الحواسيب الخارقة بطيئة وتخلف في الطاقة لأنها تبث كل نسيج وزئبق في البرمجيات، وتدير أجهزة اليورومروفية هذه النماذج محليا، مما يعرض سرعة عدد من أوامر الحجم.

التوقعات المستقبلية: ما بعد سيليكون

وفي حين أن رقائق الأعصاب الحالية تعتمد على CMOS والذاكرة الناشئة، فإن الرؤية الطويلة الأجل تشمل مواد وأجهزة جديدة ذات مواضع بيولوجية أكثر صغراً. Memristors، على سبيل المثال، يمكن أن تخزن سلسلة من حالات السلوك وتجسّد البلاستيك المتناهيج مباشرة.

كما ستعجل جهود التوحيد بالتبني، وتقوم منظمات مثل ]Neuromphic Computing Consortium] وأفرقة العمل التابعة للمنظمة الدولية للإحصاء بوضع معايير ومقاييس وبروتوكولات اتصال، ويمكن، بمجرد توحيد المعايير، مقارنة أجهزة معالجة الأمراض العصبية الدقيقة وإدماجها في نظم أكبر، على غرار الطريقة التي توحد بها وحدة استخدام الحاسوب العالمي.

خاتمة

إن مستقبل تصميم أجهزة معالجة صغيرة الحجم يرتبط ارتباطاً وثيقاً بمبادئ الحساب العصبي، وفي حين أن البنى الكلاسيكية ستظل تهيمن على المهام العامة الغرض، فإن تزايد الطلب على الطاقة الفعالة، والوقت الحقيقي، والاستخبارات التكيّفية، يؤدي إلى تحول في النموذج، حيث أن أجهزة معالجة الأشعة العصبية ستوفر مساراً حول جدار الطاقة واختناق الفول النيوماني