Equipe chinesa desenvolve chip neural com memristor de mudança de fase, latência de 2,12 milissegundos

De acordo com pt.wedoany.com-A equipe de Yang Yuchao, em colaboração com a equipe de Song Zhitang do Instituto de Microsistemas e Tecnologia da Informação de Xangai, da Academia Chinesa de Ciências, desenvolveu com sucesso o primeiro sistema neurodinâmico do mundo baseado em memristor de mudança de fase, um chip que, pela primeira vez, comprime a latência de passo único dessas operações complexas para 2,12 milissegundos, alcançando uma aceleração de 50 a 478 vezes em tarefas como a reconstrução do córtex cerebral em comparação com as unidades de processamento gráfico (GPUs) atuais. Os resultados foram publicados na revista Science na madrugada do dia 3.

Yang Yuchao, pesquisador da New Cornerstone e professor da Faculdade de Circuitos Integrados da Universidade de Pequim, explicou que, para que as máquinas modelem e compreendam o mundo físico em tempo real como o cérebro, é necessário um "sistema neurodinâmico" que combine redes neurais com equações diferenciais. Esse sistema pode reconstruir estruturas cerebrais tridimensionais suaves e precisas a partir de dados incompletos e ruidosos, com enorme potencial de aplicação. No entanto, a arquitetura computacional tradicional sofre do gargalo da separação entre armazenamento e computação, onde um grande número de variáveis intermediárias é repetidamente transferido entre a memória e o processador durante o processo de solução, resultando em alta latência e consumo de energia.

A equipe de pesquisa encontrou uma solução nas propriedades físicas dos memristores. Eles utilizaram o fenômeno único de "deriva de condutância" das memórias de mudança de fase, onde, dentro de uma certa janela de tempo, a variação da condutância é previsível e pode ser controlada com precisão. Com base nisso, a equipe propôs um novo paradigma de "computação controlada na memória", codificando a busca adaptativa do tamanho do passo, que é a etapa mais demorada na solução de sistemas dinâmicos, diretamente como um processo de evolução física da condutância do dispositivo, realizando a computação dentro da própria unidade de memória. Simultaneamente, a equipe mapeou os pesos da rede neural em estados de condutância de múltiplos níveis da memória de mudança de fase, realizando operações de multiplicação e soma de matrizes de forma síncrona no mesmo conjunto. As duas principais tarefas computacionais foram integradas em um conjunto de computação e armazenamento com área total de apenas 0,28 mm². Este chip, fabricado com processo de 40 nanômetros, opera a uma frequência de 50 megahertz, exigindo apenas 9 estágios de pipeline para uma única etapa de integração, resultando em uma latência de iteração única de 2,12 milissegundos, levando pela primeira vez o hardware neurodinâmico para a era dos milissegundos.

Yang Yuchao afirmou que, sob a mesma carga computacional, este chip é 3,82 a 36,27 vezes mais rápido que os aceleradores especializados mais avançados atuais, com um consumo de energia 11,75 a 24,73 vezes menor; na tarefa de reconstrução de alta fidelidade da superfície do córtex cerebral, é até 50,38 a 478,18 vezes mais rápido que a GPU NVIDIA A100. A malha cortical reconstruída é suave e topologicamente consistente, capaz de descrever com precisão estruturas complexas de dobras e suprimir eficazmente artefatos e defeitos de auto-interseção comuns em métodos tradicionais. Este avanço abre novos espaços para interfaces cérebro-máquina e diagnóstico e tratamento de doenças cerebrais, fornecendo uma base de hardware em tempo real para futuros gêmeos digitais cerebrais individualizados e dinâmicos, bem como para navegação neural intraoperatória, triagem precoce da doença de Alzheimer e intervenções personalizadas.