Китайски изследователи разработиха мемристорен чип, способен да извършва сложни изчисления за моделиране на мозъка за по-малко от 10 милисекунди. Системата позволява в реално време да се възстанови повърхността на мозъчната кора, като тя запазва своите характерни сложни гънки. Според данните на авторите при такава реконструкция чипът се е оказал почти 480 пъти по-бърз от графичния процесор NVIDIA A100, а консумацията на електроенергия е радикално по-ниска — 12–25 пъти.

Невронните динамични системи съчетават невронни мрежи с математически модели, които описват промяната на сложни процеси във времето. Тези системи се използват за физическо моделиране, медицинска визуализация и триизмерна реконструкция на мозъка. За да функционират обаче, се налага да се извършват множество последователни изчисления, постоянно да се проверява точността на резултата и да се променя размерът на изчислителните стъпки. На традиционните компютри това се усложнява от необходимостта постоянно да се прехвърлят данни между паметта и процесора, което увеличава времето за обработка и енергопотреблението.

Изследователите предлагат решение на този проблем чрез изчисления директно в паметта. В разработения чип данните се обработват там, където се съхраняват, поради което на системата не се налага постоянно да ги прехвърля между отделните блокове. Този подход позволява ускоряване на изчисленията и едновременно с това намаляване на енергопотреблението, което е особено важно за моделирането, където резултатът трябва да се получава практически в реално време.

Основните параметри

Чипът е произведен по 40-нм технологичен процес и заема площ от едва 0,28 квадратни милиметра. Той работи на честота 50 MHz и съдържа изчислителни блокове в паметта, както и масиви от мемристи, способни да запазят информация за промените в проводимостта. Архитектурата използва девет последователни етапа на конвейерна обработка.

При тестовете за моделиране на невронната динамика чипът се оказа 3,82–36,27 пъти по-бърз от съвременните специализирани ASIC и консумира 11,75–24,73 пъти по-малко енергия.

Учените провериха работата на системата чрез задача за реконструкция на кортикалната повърхност. Чипът възстанови границите между сивото и бялото вещество на мозъка и въз основа на тях изгради в реално време триизмерна повърхност на кората. Въпреки високата скорост на обработка, системата запази сложната структура на мозъчните гънки. Получените повърхности бяха гладки, затворени и топологично съгласувани. При това скоростта на работа се оказа 478,18 пъти по-висока, отколкото при ускорителите NVIDIA A100.

Авторите считат, че тази технология може да се прилага там, където обработката на данни трябва да се извършва практически без закъснение. Сред потенциалните сценарии те посочват интерфейсите „мозък – компютър“, хирургичната навигация в реално време, медицинската визуализация и създаването на цифрови двойници на мозъка. Чипът може да се използва и като изследователски инструмент за изучаване на невродегенеративни заболявания, например Алцхаймер и Паркинсон.