ชิปเมมริสเตอร์สร้างภาพสมองใหม่แบบเรียลไทม์

ประเด็นสำคัญ

• ผลงานทำลายสถิติ: ชิปตัวใหม่ทำเวลาแฝงเพียง 2.12 มิลลิวินาที ต่อรอบการประมวลผลในการสร้างพื้นผิวสมองแบบไดนามิกขึ้นใหม่ เร็วกว่าระบบที่ใช้ GPU Nvidia A100 ถึง 50-478 เท่า
• เทคโนโลยี: อุปกรณ์นี้ใช้เมมริสเตอร์ชนิดเปลี่ยนเฟส (phase-change memristor) โดยอาศัยปรากฏการณ์ "การเลื่อนไหลของค่าการนำไฟฟ้า" (conductance drift) เพื่อการประมวลผลภายในหน่วยความจำแบบควบคุมได้ ตัดขั้นตอนการส่งข้อมูลระหว่างหน่วยความจำกับหน่วยประมวลผลออกไปทั้งหมด
• ผลกระทบต่อการประยุกต์ใช้: ชิปนี้ลดการใช้พลังงานได้สูงสุดถึง 24 เท่า เปิดทางสู่การใช้งานด้านการนำทางระบบประสาทในการผ่าตัด การวินิจฉัยโรคความเสื่อมของระบบประสาทตั้งแต่ระยะแรก และส่วนต่อประสานสมองกับคอมพิวเตอร์

ชิปที่สร้างภาพสมองใหม่แบบเรียลไทม์

ทีมวิจัยที่นำโดยศาสตราจารย์หยาง อวี้เฉา (Yang Yuchao) แห่งมหาวิทยาลัยปักกิ่ง ร่วมกับสถาบันไมโครซิสเต็มส์และเทคโนโลยีสารสนเทศแห่งสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน ได้พัฒนาชิปที่สามารถสร้างพื้นผิวของเปลือกสมอง (cerebral cortex) ขึ้นใหม่แบบเรียลไทม์ ผลการวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science ระบุว่าอุปกรณ์นี้เป็นชิปตัวแรกของโลกสำหรับระบบประสาทแบบไดนามิกที่ใช้เมมริสเตอร์ชนิดเปลี่ยนเฟส

คอขวดของสถาปัตยกรรมฟอน นอยมันน์

คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมแยกหน่วยความจำและหน่วยประมวลผลออกจากกันทางกายภาพ การคำนวณที่ซับซ้อนทุกครั้งต้องอาศัยการเคลื่อนย้ายข้อมูลระหว่างสองหน่วยนี้อย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นกระบวนการที่กินทั้งเวลาและพลังงาน การแยกส่วนนี้ที่เรียกว่าคอขวดของสถาปัตยกรรมฟอน นอยมันน์ เป็นอุปสรรคสำคัญที่ขัดขวางการจำลองความซับซ้อนของสมองมนุษย์แบบเรียลไทม์มาโดยตลอด

การประมวลผลภายในหน่วยความจำ

ทีมวิจัยได้นำปรากฏการณ์การเลื่อนไหลของค่าการนำไฟฟ้า ซึ่งเป็นคุณสมบัติทางกายภาพของเมมริสเตอร์ชนิดเปลี่ยนเฟสที่เคยถูกมองว่าเป็นข้อบกพร่อง มาแปรเปลี่ยนให้กลายเป็นเครื่องมือในการประมวลผล ชิปที่ได้จึงสามารถจัดเก็บข้อมูลและประมวลผลทางคณิตศาสตร์ไปพร้อมกันภายในตัวมันเอง ตามแนวทางที่เรียกว่าการประมวลผลภายในหน่วยความจำแบบควบคุมได้ ศาสตราจารย์หยางระบุว่า การดำเนินการที่แต่เดิมต้องอาศัยรอบสัญญาณดิจิทัล การเข้าถึงแคช และการส่งถ่ายข้อมูล บัดนี้ถูกดำเนินการโดยกระบวนการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพของอุปกรณ์เองโดยตรง

ตัวเลขจากการทดลอง

ชิปนี้ผลิตขึ้นด้วยกระบวนการผลิตขนาด 40 นาโนเมตร และทำเวลาแฝงได้ 2.12 มิลลิวินาที ต่อรอบการประมวลผลเดียว นับเป็นก้าวแรกของฮาร์ดแวร์สำหรับระบบประสาทแบบไดนามิกที่เข้าสู่ยุคความเร็วระดับมิลลิวินาที ในการทดสอบสร้างเปลือกสมองใหม่ ชิปนี้ทำความเร็วเหนือกว่าระบบที่ใช้ GPU Nvidia A100 ถึง 50-478 เท่า และในบางกรณียังเหนือกว่าโปรเซสเซอร์เฉพาะทาง (ASIC) ถึง 36 เท่า ขณะที่การใช้พลังงานต่ำกว่าโซลูชันแบบดั้งเดิมสูงสุดถึง 24 เท่า

การประยุกต์ใช้ทางคลินิกที่รอคอยอยู่

ความสามารถในการสร้างแผนที่สมองสามมิติแบบเรียลไทม์เปิดทางสู่การใช้งานโดยตรงในการนำทางระบบประสาทระหว่างการผ่าตัด (intraoperative neuronavigation) ซึ่งอาจช่วยเพิ่มความแม่นยำในระหว่างการผ่าตัด หลักการเดียวกันนี้ยังอาจนำไปสู่การตรวจคัดกรองโรคความเสื่อมของระบบประสาท เช่น โรคอัลไซเมอร์ ตั้งแต่ระยะแรกเริ่ม ผ่านการวิเคราะห์โครงสร้างสมองอย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้ชิปดังกล่าวยังมีศักยภาพในการเร่งการพัฒนาส่วนต่อประสานสมองกับคอมพิวเตอร์ (brain-computer interface) และการสร้างฝาแฝดดิจิทัลของสมองเฉพาะบุคคล ซึ่งเป็นแบบจำลองเสมือนที่สามารถนำไปใช้ทดสอบการรักษาและติดตามพัฒนาการของโรคในผู้ป่วยแต่ละราย