جهاز جديد يؤدي إلى التعلم المتمركز حول الأشجار

قد حاولت الحوسبة العصبية حتى الآن محاكاة المشابك العصبية بين الخلايا العصبية في الدماغ. لكن النهج الجديد يهدف بدلاً من ذلك إلى التصرف مثل التشعبات، وهي الهياكل الطويلة التي تتفرع من نواة الخلية العصبية مثل جذور الشجرة. تتلقى التشعبات إشارات من الخلايا العصبية الأخرى عبر المشابك العصبية، وتنقلها من الطرف إلى الجذع إلى النواة. وفي مجال الحوسبة، يمكن أن تعمل “النانودندريتات” بشكل مماثل، وفقًا لفريق من الباحثين في جامعة ستانفورد.

بالتعاون مع شركة GlobalFoundries المصنعة لأشباه الموصلات، اقترح الباحثون واحدًا من هذه النانوديندريت في اجتماع IEEE الدولي للأجهزة الإلكترونية (IEDM) لعام 2023 هذا الأسبوع.

 يعمل الجهاز وهو عبارة عن ترانزستور معدل كمفتاح يكتشف سلسلة من نبضات الجهد التي يبلغ طولها ميكروثانية. يتم تشغيله، مما يسمح للتيار بالمرور، فقط إذا وصلت النبضات بالترتيب الصحيح. وفقًا لأستاذ الهندسة الحيوية في جامعة ستانفورد  كوابينا بواهين  فإن هذا النهج يمكن أن يؤدي إلى معالجة متوازية فعالة في الرقائق ثلاثية الأبعاد التي سيعتمد عليها الذكاء الاصطناعي بشكل متزايد. ومن خلال محاكاة التشعبات الدماغية  ستستخدم هذه الرقائق طاقة أقل والأهم من ذلك، ستولد حرارة أقل.

تمثل الحرارة “مشكلة أساسية” في تقنيات الرقائق ثلاثية الأبعاد اليوم، كما يقول المهندس الكهربائي هـ.-س. فيليب وونغ، زميل IEEE وأستاذ الهندسة الكهربائية في جامعة ستانفورد. وتنمو الحرارة المتولدة بما يتناسب مع الحجم، ولكن الرقائق تبدد الحرارة بمعدل يتناسب مع مساحة السطح. ولهذا السبب، يقول وونغ: “جميع التقدم الحسابي في الوقت الحالي محدود بتبديد الحرارة”.

يقترح وونغ أن المشكلة يمكن حلها من خلال طريقة النانوديندريت، لأنها تستخدم الجهد في نبضات منفصلة بدلاً من المستويات الثابتة المستمرة. وبالتالي فإنه ينشط عددًا أقل من الأسلاك في أي لحظة، وبالتالي يولد حرارة أقل.

يتكون ترانزستور التأثير الميداني النموذجي من ثلاث أطراف: المصدر، والبوابة، والصرف. لكي تنتقل الشحنة من المصدر إلى المصرف  يتم تطبيق جهد كهربائي على البوابة  مما يؤدي إلى تغيير المجال الكهربائي وموصلية السيليكون. 

ويحتفظ جهاز ستانفورد بنفس العناصر الأساسية ولكنه يقسم بوابة الترانزستور إلى ثلاثة أجزاء. كما أنها تحتوي على طبقة رقيقة من المواد الكهروضوئية في البوابة متعددة الأجزاء مما يتسبب في تبديل الاستقطاب عند تطبيق مجال كهربائي.

لكي تتحرك الشحنة عبر قناة الترانزستور يجب توصيل سلسلة من نبضات الجهد بالترتيب الصحيح  بدءًا من القسم الأقرب إلى المصدر. بعد أن يتلقى قسم البوابة الأولى نبضة، تتدفق ناقلات الشحنة من المصدر إلى هذا القسم وينقلب استقطابها. النبضة التالية تفعل نفس الشيء في القسم الأوسط، حيث تسحب حوامل الشاحن من القسم الأول. ثم يتلقى القسم الثالث نبضًا مكملاً للقناة الموصلة لكن هذا لن يحدث إذا كانت النبضات خارج التسلسل.

 على سبيل المثال، إذا تم إرسال نبضة إلى القسم الأوسط من البوابة أولاً متبوعة بالقسم الأقرب إلى المصدر، فلن يتمكن القسم الأوسط من سحب حاملات الشحنة من الأقسام المجاورة لها وسيظل استقطابها كما هو مما يعيق تشكيل قناة موصلة.

يقول وونغ: “نظرًا لأن هذا النوع من الحوسبة يعتمد على تسلسل النبضات المعتمد على الوقت، فقد كنا بحاجة إلى جهاز يمكنه تذكر تسلسل النبضات”. 

ولهذا السبب اعتمد هو وبواهين في تصميمهما على الترانزستورات الكهروضوئية والتي تم اقتراحها سابقًا كوسيلة للجمع بين الذاكرة والمنطق في الرقائق العصبية. توفر المادة الكهروضوئية ذاكرة في استقطابها، والتي تنقلب عندما تتلقى البوابة نبضة جهد ثم يحافظ على هذا الاستقطاب حتى يتلقى نبضًا آخر، كما يوضح هوجو تشين طالب الدكتوراه الذي نصحه وونج وقدم الورقة البحثية في IEDM يوم الاثنين.

في حين أن الإصدار الحالي من الجهاز المقدم يتضمن بوابة مكونة من 3 أجزاء  وهي أبسط نسخة من هيكل يشبه التشعبات  يهدف فريق ستانفورد إلى تقديم المزيد من التجزئة في المستقبل. ويشير تشين إلى أن إضافة المزيد من أقسام البوابة يزيد من المقاومة على الرغم من أن هذا من غير المرجح أن يمثل مشكلة حيث سيتم تصميم الأجهزة لتمكين المعالجة المتوازية.

سيتطلب بناء الأجهزة ثلاثية الأبعاد أيضًا عمليات جديدة. يقول وونغ إن هذه الرقائق، على سبيل المثال، ستحتاج إلى تصنيعها في درجة حرارة منخفضة، مضيفًا أن “كيفية بناء نظام كهذا ثلاثي الأبعاد لا يزال سؤالًا بحثيًا ذا صلة”.