Punti Chiave
- Prestazione record: Il nuovo chip raggiunge una latenza di 2,12 millisecondi per iterazione nella ricostruzione dinamica della superficie cerebrale, risultando tra 50 e 478 volte più veloce rispetto a sistemi basati su GPU Nvidia A100.
- Tecnologia: Il dispositivo utilizza memristori a cambiamento di fase e sfrutta la "deriva di conduttanza" per il calcolo in-memory controllabile, eliminando lo spostamento dati tra memoria e processore.
- Impatto applicativo: Il chip riduce i consumi energetici fino a 24 volte e apre a impieghi in neuronavigazione chirurgica, diagnosi precoce di malattie neurodegenerative e interfacce cervello-computer.
Un chip ricostruisce il cervello in tempo reale
Un team guidato dal Professor Yang Yuchao dell'Università di Pechino, in collaborazione con l'Istituto di Microsistemi e Tecnologie dell'Informazione dell'Accademia Cinese delle Scienze, ha sviluppato un chip capace di ricostruire in tempo reale la superficie della corteccia cerebrale. I risultati, pubblicati su Science, descrivono il dispositivo come il primo al mondo per sistemi neurali dinamici basato su memristori a cambiamento di fase.
Il collo di bottiglia dell'architettura di von Neumann
I computer tradizionali separano fisicamente memoria e processore. Ogni calcolo complesso richiede lo spostamento continuo di dati tra le due unità, un processo che consuma tempo ed energia. Questa separazione, nota come collo di bottiglia di von Neumann, ha finora impedito di modellare in tempo reale la complessità del cervello umano.
Il calcolo dentro la memoria
Il team ha sfruttato la deriva di conduttanza, una proprietà fisica dei memristori a cambiamento di fase finora considerata un difetto, trasformandola in strumento di calcolo. Il chip risultante immagazzina i dati e al contempo esegue le operazioni matematiche al suo interno, secondo un approccio definito calcolo in-memory controllabile. Secondo Yang, operazioni che prima richiedevano cicli digitali, accessi alla cache e trasferimenti di dati vengono ora svolte dall'evoluzione fisica del dispositivo stesso.
I numeri della sperimentazione
Realizzato con un processo produttivo a 40 nanometri, il chip ha raggiunto una latenza di 2,12 millisecondi per singola iterazione, segnando il primo ingresso dell'hardware per sistemi neurali dinamici nell'era del millisecondo. Nei test di ricostruzione della corteccia cerebrale ha superato di 50-478 volte la velocità dei sistemi basati su GPU Nvidia A100 e, in alcuni casi, ha battuto processori specializzati (ASIC) fino a 36 volte. Il consumo energetico è risultato fino a 24 volte inferiore rispetto alle soluzioni tradizionali.
Le applicazioni cliniche in vista
La capacità di generare mappe cerebrali tridimensionali in tempo reale apre a un impiego diretto in neuronavigazione intraoperatoria, con potenziali benefici per la precisione durante gli interventi chirurgici. Lo stesso principio potrebbe abilitare lo screening precoce di malattie neurodegenerative come l'Alzheimer, attraverso l'analisi continua delle strutture cerebrali. Il chip è candidato inoltre ad accelerare lo sviluppo di interfacce cervello-computer e la costruzione di gemelli digitali personalizzati del cervello, modelli virtuali utilizzabili per testare terapie e seguire l'evoluzione di una patologia nel singolo paziente.
