Κινέζοι ερευνητές ανέπτυξαν ένα μικροτσίπ μνήμης που μπορεί να μοντελοποιήσει πολύπλοκες δομές του εγκεφάλου σε πραγματικό χρόνο, ένα επίτευγμα που, όπως λένε, θα μπορούσε να βελτιώσει τη διάγνωση εγκεφαλικών παθήσεων, τις διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή και τη χειρουργική πλοήγηση.
Το τσιπ των 40 νανομέτρων, που δημιουργήθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Πεκίνου και της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, ενσωματώνει ένα τεχνητό νευρωνικό δίκτυο στο υλικό του. Σύμφωνα με την ομάδα, ανακατασκευάζει την περίπλοκη αναδιπλωμένη επιφάνεια του εγκεφάλου σε λιγότερο από μισό δευτερόλεπτο.
Οι ερευνητές ανέφεραν ότι το τσιπ είναι 50 έως 478 φορές ταχύτερο από συστήματα που τροφοδοτούνται από τη μονάδα επεξεργασίας γραφικών A100 της Nvidia για τη συγκεκριμένη εργασία. Το κέρδος στην απόδοση προέρχεται από μια αρχιτεκτονική υπολογισμού εντός μνήμης (computing-in-memory) που εκτελεί την αποθήκευση δεδομένων και τον υπολογισμό στον ίδιο πίνακα μνήμης, μειώνοντας τις καθυστερήσεις που προκαλούνται από τη μετακίνηση δεδομένων μεταξύ ξεχωριστών μονάδων μνήμης και επεξεργασίας.
Αντί να αντιμετωπίσει την «ολίσθηση αγωγιμότητας» στα memristors αλλαγής φάσης ως ελάττωμα, η ομάδα χρησιμοποίησε αυτή την ιδιότητα για να εκτελέσει νευρωνικούς δυναμικούς υπολογισμούς, επιτρέποντας γρήγορη και ενεργειακά αποδοτική επεξεργασία.
Οι επιστήμονες σχεδίασαν το τσιπ για να αντιμετωπίσουν μια μακροχρόνια πρόκληση στην απεικόνιση του εγκεφάλου, όπου το συμβατικό υλικό δυσκολεύεται να συμβαδίσει με τον μεγάλο όγκο δεδομένων που απαιτούνται για την ανακατασκευή της εξαιρετικά αναδιπλωμένης επιφάνειας του εγκεφάλου.
Η ταχύτερη επεξεργασία θα μπορούσε να καταστήσει την προηγμένη μοντελοποίηση του εγκεφάλου πιο πρακτική στα νοσοκομεία, όπου οι κλινικοί γιατροί χρειάζονται συχνά αποτελέσματα γρήγορα για να υποστηρίξουν αποφάσεις διάγνωσης και θεραπείας.
Η καινοτομία της ενοποιημένης αρχιτεκτονικής
Ο επικεφαλής συγγραφέας Γιάνγκ Γιουτσάο, καθηγητής στη Σχολή Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων του Πανεπιστημίου του Πεκίνου και αναπληρωτής κοσμήτορας της Σχολής Ηλεκτρονικής Μηχανικής και Μηχανικής Υπολογιστών, δήλωσε ότι το τσιπ μπορεί να ανακατασκευάσει με ακρίβεια τον αναδιπλωμένο φλοιό του εγκεφάλου για ιατρικές εφαρμογές.
«Αυτό το επίτευγμα ανοίγει νέες δυνατότητες για τις διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή και τη διάγνωση και θεραπεία εγκεφαλικών παθήσεων», δήλωσε ο Γιάνγκ στην κρατική εφημερίδα Guangming Daily.
Ο ίδιος πρόσθεσε: «Στο μέλλον, τα εξατομικευμένα και δυναμικά ψηφιακά δίδυμα του εγκεφάλου θα γίνουν πραγματικότητα». Ο Γιάνγκ ανέφερε επίσης ότι η τεχνολογία «παρέχει μια βάση υλικού που μπορεί να λειτουργήσει σε πραγματικό χρόνο για ενδοεγχειρητική νευροπλοήγηση, έγκαιρο έλεγχο για τη νόσο Αλτσχάιμερ και εξατομικευμένες παρεμβάσεις».
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος περιέχει πολύπλοκες πτυχώσεις που αυξάνουν την επιφάνειά του, επιτρέποντας σε δισεκατομμύρια νευρώνες να χωρέσουν μέσα στο κρανίο.
Η ανακατασκευή αυτών των δομών απαιτούσε παραδοσιακά ισχυρά υπολογιστικά συστήματα και χρονοβόρους υπολογισμούς, περιορίζοντας τη χρήση τους σε ιατρικά περιβάλλοντα όπου ο χρόνος είναι κρίσιμος.
Ταχύτερη κλινική απεικόνιση
Ο νέος σχεδιασμός εξαλείφει ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια στη συμβατική αρχιτεκτονική υπολογιστών, όπου η μνήμη και οι επεξεργαστές είναι φυσικά διαχωρισμένοι. Συνδυάζοντας και τις δύο λειτουργίες στο ίδιο τσιπ, το σύστημα μειώνει την καθυστέρηση ενώ παράλληλα μειώνει την κατανάλωση ενέργειας.
Σε μια συνοδευτική ανάλυση, ερευνητές από το Κέντρο Ερευνών Juelich της Γερμανίας παρομοίασαν την προσέγγιση με την «επεξεργασία του νωπού γάλακτος σε μια γαλακτοκομική φάρμα αντί για τη μεταφορά του σε ένα εργοστάσιο», τονίζοντας την αποτελεσματικότητα της εκτέλεσης υπολογισμών εκεί όπου αποθηκεύονται τα δεδομένα.
Έγραψαν ότι η πλατφόρμα προσφέρει «υπολογισμό υψηλής πιστότητας με καθυστέρηση της τάξης των χιλιοστών του δευτερολέπτου», δημιουργώντας μια πορεία προς εφαρμογές πραγματικού χρόνου στην κλινική απεικόνιση, τη ρομποτική και την ενσώματη νοημοσύνη. Οι ερευνητές δήλωσαν επίσης ότι η εργασία «θα μπορούσε να επιτρέψει την παρακολούθηση της φλοιώδους επιφάνειας σε πραγματικό χρόνο κατά τη διάρκεια της νευροχειρουργικής και θα μπορούσε να ενσωματωθεί στην κλινική λήψη αποφάσεων».
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science, όπως αναφέρει το άρθρο του ιστότοπου Interesting Engineering.
