Processador neuromórfico supera processadores digitais

Com informações da New Scientist - 28/11/2012

Até agora cada processador analógico só conseguia imitar um circuito particular do cérebro - o Spikey, por sua vez, pode recriar qualquer padrão.
[Imagem: Pfeil et al.]

Processadores analógicos

Processadores de computador que imitam o cérebro estão se mostrando capazes de superar os chips convencionais em aspectos cruciais.

Eles também poderão revolucionar a nossa compreensão de como o cérebro funciona.

Tentativas de simular o cérebro geralmente envolvem construir programas de computador para que se comportem como grupos de neurônios - são as redes neurais artificiais.

As tentativas mais avançadas, contudo, envolvem um projeto realmente "neuromórfico", que tenta recriar o hardware do cérebro usando componentes analógicos.

"Os circuitos analógicos morreram depois que os computadores digitais se tornaram mais poderosos," diz Karlheinz Meier, da Universidade de Heidelberg, na Alemanha.

Meier, contudo, está ajudando a ressuscitá-los.

Processador neuromórfico

O processador Spikey, criado por Meier e uma equipe envolvendo pesquisadores de 15 universidades europeias, já possui 400 neurônios.

O processador é a finalização de um projeto que deu os primeiros resultados em 2009, quando o grupo apresentou o primeiro protótipo do seu "cérebro em um chip".

Os neurônios reais possuem uma tensão elétrica em sua membrana externa, o que o processador Spikey imita usando capacitores, componentes eletrônicos que armazenam cargas elétricas.

Tal como em um neurônio real, quando a tensão aplicada atinge um certo nível, o condensador torna-se condutor, disparando um "sinal nervoso" - esse sinal é chamado spike em inglês, de onde deriva o nome do processador neuromórfico.

O Spikey também imita as sinapses, as conexões entre os neurônios, por meio das chamadas sinapses artificiais.

Sinapses artificiais

Em um processador digital normal, cada elemento de informação só pode ter um valor 0 ou 1.

Mas os componentes analógicos que formam um processador analógico podem ter níveis variáveis de resistência para simular as conexões entre os neurônios.

Essa resistência pode se tornar mais forte ou mais fraca dependendo de quantas vezes os componentes são usados - é o princípio dos chamados memristores, componentes eletrônicos que estão viabilizando a construção de computadores que aprendem.

Já existem outros processadores neuromórficos com número similar de neurônios, como um apresentado recentemente por uma equipe do MIT:

• Processador analógico imita o cérebro

Contudo, até agora cada processador analógico só conseguia imitar um circuito particular do cérebro - o Spikey, por sua vez, pode recriar qualquer padrão.

A equipe conectou os neurônios de maneiras diferentes para imitar circuitos cerebrais diferentes. Eles já modelaram seis redes neurais, incluindo uma encontrada no sistema olfativo dos insetos.

Já está pronto o projeto do primeiro processador neuromórfico multicore, que terá seis núcleos e capacidade para simular mais de um milhão de neurônios.
[Imagem: Brainscale Project]

Vantagens dos processadores neuromórficos

Processadores neuromórficos têm vantagens sobre os chips convencionais, o que os torna úteis em determinadas situações.

Por exemplo, eles não separam a memória da computação propriamente dita, ou do cálculo - a informação é armazenada na força sináptica. Assim, processadores neuromórficos rodam mais rápido usando menos energia.

Eles também lidam melhor com defeitos. Interromper uma via em um processador digital convencional pode inutilizá-lo completamente, mas um processador neuromórfico vai continuar funcionando, ainda que mais lentamente.

A NASA está financiando uma outra pesquisa nos EUA que pretende criar um processador neuromórfico para controlar robôs exploradores, que ficarão menos imunes a danos induzidos pela radiação do espaço.

A IBM também já se convenceu dos ganhos, tendo apresentado seu primeiro processador cognitivo no ano passado.

Esses chips inovadores também permitirão que as teorias de como o cérebro funciona sejam testadas, em experimentos que sistematicamente mudam a forma como cada neurônio e cada rede neural se comportam.

Neuromórfico multicore

A equipe está agora ampliando o Spikey como parte de um projeto chamado BrainScales. "Em vez de 400 neurônios, teremos 200 mil," disse Thomas Pfeil, membro da equipe.

Os pesquisadores já imprimiram todos os componentes em uma única pastilha de silício, com 20 centímetros de diâmetro, o que lhes permitiu incorporar muito mais conexões.

No próximo ano, ele será utilizado para simular parte do córtex do cérebro de um rato.

A seguir, a equipe planeja conectar seis wafers em paralelo, criando um processador neuromórfico de seis núcleos, capaz de simular mais de um milhão de neurônios.

O objetivo a médio prazo é modelar todo o córtex visual de um rato.

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