Nöromorfik mühendislik - Neuromorphic engineering

Nöromorfik tekniği olarak da bilinen, nöromorfik işlem , kullanımı çok geniş-ölçekli entegrasyon elektronik ihtiva eden (VLSI) sistemler , analog devreler sinir sisteminde bulunan taklit nöro-biyolojik bir mimariyi. Bir nöromorfik bilgisayar/çip, hesaplamalar yapmak için fiziksel yapay nöronları (silikondan yapılmış) kullanan herhangi bir cihazdır. Son zamanlarda, nöromorfik terimi , analog, dijital, karışık modlu analog/dijital VLSI ve sinir sistemi modellerini ( algı , motor kontrol veya çok duyusal entegrasyon için ) uygulayan yazılım sistemlerini tanımlamak için kullanılmıştır . Nöromorfik hesaplamanın donanım düzeyinde uygulanması, oksit bazlı memristörler , spintronik bellekler, eşik anahtarları ve transistörler tarafından gerçekleştirilebilir .

Nöromorfik mühendisliğin önemli bir yönü, bireysel nöronların, devrelerin, uygulamaların ve genel mimarilerin morfolojisinin nasıl istenen hesaplamaları yarattığını, bilginin nasıl temsil edildiğini nasıl etkilediğini, hasara karşı sağlamlığı nasıl etkilediğini, öğrenme ve gelişimi içerdiğini, yerel değişime (plastisite) nasıl uyum sağladığını anlamaktır. ve evrimsel değişimi kolaylaştırır.

Nöromorfik mühendislik biyoloji , fizik , matematik , bilgisayar bilimi ve elektronik mühendisliğinden ilham alarak görme sistemleri , baş-göz sistemleri, işitsel işlemciler ve fiziksel mimarisi ve tasarımı olan otonom robotlar gibi yapay sinir sistemlerini tasarlayan disiplinler arası bir konudur. ilkeleri biyolojik sinir sistemlerinin ilkelerine dayanır. 1980'lerin sonlarında Carver Mead tarafından geliştirilmiştir .

nörolojik ilham

Nöromorfik mühendislik, beynin yapısı ve işleyişi hakkında bildiklerimizden aldığı ilhamla ayrılır . Nöromorfik mühendislik, beynin işlevi hakkında bildiklerimizi bilgisayar sistemlerine çevirir. Çalışma çoğunlukla analog doğasını kopyalayan odaklanmıştır biyolojik hesaplama ve rolünü nöronlar içinde biliş .

Nöronların biyolojik süreçleri ve sinapsları göz korkutucu derecede karmaşıktır ve bu nedenle yapay olarak simüle edilmesi çok zordur. Biyolojik beyinlerin önemli bir özelliği, nöronlardaki tüm işlemlerin analog kimyasal sinyaller kullanmasıdır. Bu, mevcut bilgisayar nesli tamamen dijital olduğu için beyinleri bilgisayarlarda kopyalamayı zorlaştırıyor. Bununla birlikte, bu parçaların özellikleri, nöron işlemlerinin özünü yakından yakalayan matematiksel fonksiyonlara soyutlanabilir.

Nöromorfik hesaplamanın amacı, beyni ve tüm işlevlerini mükemmel bir şekilde taklit etmek değil, bunun yerine pratik bir hesaplama sisteminde kullanılmak üzere yapısı ve işlemleri hakkında bilinenleri çıkarmaktır. Hiçbir nöromorfik sistem, nöronların ve sinapsların her öğesini yeniden üretme iddiasında veya girişiminde bulunmaz, ancak tümü, hesaplamanın bir nörona benzer bir dizi küçük hesaplama öğesi boyunca yüksek oranda dağıtıldığı fikrine bağlıdır . Bu duygu standart olmakla birlikte, araştırmacılar farklı yöntemlerle bu amacın peşinden koşmaktadır.

Örnekler

2006 gibi erken bir tarihte, Georgia Tech'teki araştırmacılar, sahada programlanabilir bir sinir dizisi yayınladılar. Bu çip, beyindeki nöronların kanal-iyon özelliklerini modellemek için MOSFET'lerin kapılarındaki yükün programlanabilmesine izin veren, giderek karmaşıklaşan yüzer geçit transistörleri dizisinde ilkti ve bir silikon programlanabilir dizinin ilk durumlarından biriydi. nöronların.

Kasım 2011'de, bir grup MIT araştırmacısı, 400 transistör ve standart CMOS üretim teknikleri kullanarak iki nöron arasındaki bir sinapsta analog, iyon tabanlı iletişimi taklit eden bir bilgisayar çipi yarattı .

Haziran 2012'de Purdue Üniversitesi'ndeki spintronik araştırmacıları, yanal spin valfleri ve memristörler kullanan nöromorfik bir çipin tasarımı üzerine bir makale sundular . Mimarinin nöronlara benzer şekilde çalıştığını ve bu nedenle beynin işlemesini yeniden üretme yöntemlerini test etmek için kullanılabileceğini savunuyorlar. Ek olarak, bu çipler geleneksel olanlardan önemli ölçüde daha fazla enerji verimlidir.

HP Laboratuarlarında Mott memristörler üzerine yapılan araştırmalar, uçucu olmamalarına rağmen , faz geçiş sıcaklığının önemli ölçüde altındaki sıcaklıklarda sergilenen uçucu davranışın , nöronlarda bulunan davranışı taklit eden biyolojik olarak ilham alan bir cihaz olan bir nöristör üretmek için kullanılabileceğini göstermiştir. Eylül 2013'te, bir Turing makinesi için gerekli bileşenleri oluşturmak için bu nöristörlerin sivri davranışlarının nasıl kullanılabileceğini gösteren modeller ve simülasyonlar sundular .

Neurogrid tarafından inşa, Silicon Brains de Stanford Üniversitesi , nöromorfik mühendislik prensipleri kullanılarak tasarlanmış donanım örneğidir. Devre kartı, NeuroCores olarak adlandırılan 16 özel tasarım çipten oluşur. Her NeuroCore'un analog devresi, enerji verimliliğini en üst düzeye çıkararak 65536 nöron için nöral öğeleri taklit edecek şekilde tasarlanmıştır. Öykünülmüş nöronlar, ani çıkış verimini en üst düzeye çıkarmak için tasarlanmış dijital devre kullanılarak bağlanır.

Nöromorfik mühendislik için çıkarımları olan bir araştırma projesi, biyolojik verileri kullanarak bir süper bilgisayarda tam bir insan beynini simüle etmeye çalışan İnsan Beyni Projesidir . Nörobilim, tıp ve bilgisayar alanlarındaki bir grup araştırmacıdan oluşur. Projenin eş direktörü Henry Markram , projenin beyni ve hastalıklarını araştırmak ve anlamak için bir temel oluşturmayı ve bu bilgiyi yeni bilgisayar teknolojileri oluşturmak için kullanmayı önerdiğini belirtti. Projenin üç temel amacı, beynin parçalarının nasıl bir araya gelip birlikte çalıştığını daha iyi anlamak, beyin hastalıklarını objektif olarak nasıl teşhis edip tedavi edeceğini anlamak ve insan beyninin anlayışını nöromorfik bilgisayarlar geliştirmek için kullanmaktır. Tam bir insan beyninin simülasyonunun günümüzünkinden bin kat daha güçlü bir süper bilgisayar gerektireceği, günümüzde nöromorfik bilgisayarlara odaklanmayı teşvik ediyor. Avrupa Komisyonu tarafından projeye 1,3 milyar dolar tahsis edildi .

Nöromorfik mühendislik için çıkarımları olan diğer araştırmalar, BRAIN Initiative ve IBM'in TrueNorth çipini içerir . Nöromorfik cihazlar ayrıca nanokristaller, nanoteller ve iletken polimerler kullanılarak gösterilmiştir.

Intel , Ekim 2017'de " Loihi " adlı nöromorfik araştırma çipini tanıttı. Çip, öğrenme ve çıkarımı yüksek verimlilikle uygulamak için kullanılan uyarlanabilir, kendi kendini değiştiren olay güdümlü ince taneli paralel hesaplamaları uygulamak için eşzamansız bir spike sinir ağı (SNN) kullanır. .

Belçika merkezli bir nanoelektronik araştırma merkezi olan IMEC , dünyanın ilk kendi kendine öğrenen nöromorfik çipini sergiledi. OxRAM teknolojisine dayanan beyinden ilham alan çip, kendi kendine öğrenme yeteneğine sahiptir ve müzik besteleme yeteneğine sahip olduğu kanıtlanmıştır. IMEC, prototip tarafından bestelenen 30 saniyelik melodiyi yayınladı. Çip sırayla aynı anda imza ve stilde şarkılarla yüklendi. Şarkılar, çipin oyundaki kuralları öğrendiği ve ardından uyguladığı eski Belçika ve Fransız flüt minuetleriydi.

Henry Markram tarafından yönetilen Mavi Beyin Projesi , fare beyninin biyolojik olarak ayrıntılı dijital rekonstrüksiyonlarını ve simülasyonlarını oluşturmayı amaçlıyor. Mavi Beyin Projesi, biyolojisi hakkında mümkün olduğunca çok ayrıntıyı çoğaltmaya çalışırken, kemirgen beyinlerinin silico modellerini yarattı. Süper bilgisayar tabanlı simülasyonlar, beynin yapısını ve işlevlerini anlama konusunda yeni bakış açıları sunuyor.

Avrupa Birliği, Heidelberg Üniversitesi'nde bir dizi projeyi finanse etti ve bu , Almanya'daki Heidelberg Üniversitesi'nde bulunan bir hibrit analog nöromorfik süper bilgisayar olan BrainScaleS'in ( nöromorfik hibrit sistemlerde beyinden ilham alan çok ölçekli hesaplama) geliştirilmesine yol açtı . İnsan Beyni Projesi nöromorfik bilgi işlem platformunun bir parçası olarak geliştirildi ve SpiNNaker süper bilgisayarının (dijital teknolojiye dayanan) tamamlayıcısıdır . BrainScaleS'de kullanılan mimari biyolojik nöronları ve fiziksel düzeydeki bağlantılarını taklit eder; ek olarak, bileşenler silikondan yapıldığından, bu model nöronlar biyolojik muadillerinin ortalama 864 katı (makine simülasyonunda 24 saat gerçek zaman 100 saniyedir) çalışır.

nöromorfik sensörler

Nöromorfik sistem kavramı sensörlere kadar genişletilebilir (sadece hesaplamaya değil), bunun bir örneği olay kamerasıdır (nöromorfik kamera).

Etik düşünceler

Disiplinlerarası nöromorfik mühendislik kavramı nispeten yeni olsa da, insan benzeri makineler ve genel olarak yapay zeka için geçerli olan aynı etik düşüncelerin çoğu nöromorfik sistemler için geçerlidir . Bununla birlikte, nöromorfik sistemlerin bir insan beynini taklit edecek şekilde tasarlanması gerçeği , kullanımlarıyla ilgili benzersiz etik sorulara yol açmaktadır.

Bununla birlikte, pratik tartışma, nöromorfik donanımın yanı sıra yapay "sinir ağları"nın, beynin nasıl çalıştığının veya bilgiyi nasıl boyut ve işlevsel teknoloji açısından çok daha düşük bir karmaşıklıkta ve bilgi açısından çok daha düzenli bir yapıda nasıl işlediğinin son derece basitleştirilmiş modelleri olduğudur . bağlantı . Karşılaştırma nöromorfik cips beyne ikisi de kanatları ve kuyruğu var diye bir kuş bir uçak karşılaştırarak benzer bir çok ham bir fark var. Gerçek şu ki, sinirsel bilişsel sistemler, mevcut son teknoloji yapay zekadan çok daha fazla enerji ve hesaplama açısından daha verimlidir ve nöromorfik mühendislik, tıpkı birçok mühendislik tasarımı gibi beynin mekanizmasından ilham alarak bu boşluğu daraltma girişimidir. sahip canlılardan esinlenilerek özellikleri .

Demokratik kaygılar

Halkın algısı nedeniyle nöromorfik mühendisliğe önemli etik sınırlamalar getirilebilir. Avrupa Komisyonu tarafından yürütülen bir anket olan Special Eurobarometer 382: Public Attitudes Towards Robots, Avrupa Birliği vatandaşlarının %60'ının çocukların, yaşlıların veya engellilerin bakımında robotların yasaklanmasını istediğini ortaya koydu . Ayrıca, %34'ü eğitimde, %27'si sağlıkta ve %20'si boş zamanlarında robotların yasaklanmasından yanaydı. Avrupa Komisyonu bu alanları özellikle “insan” olarak sınıflandırıyor. Rapor, insan işlevlerini taklit edebilen veya çoğaltabilen robotlarla ilgili artan kamuoyu endişesinden bahsediyor. Nöromorfik mühendislik, tanımı gereği, insan beyninin işlevini kopyalamak için tasarlanmıştır.

Nöromorfik mühendisliği çevreleyen demokratik kaygıların gelecekte daha da derinleşmesi muhtemeldir. Avrupa Komisyonu, 15 ila 24 yaş arasındaki AB vatandaşlarının robotları insan benzeri (enstrüman benzeri değil) düşünme olasılığının 55 yaş üstü AB vatandaşlarına göre daha muhtemel olduğunu tespit etti. 15-24 yaş arası AB vatandaşlarının %75'i robot fikriyle örtüştüğünü söylerken 55 yaş üstü AB vatandaşlarının sadece %57'si aynı şekilde yanıt verdi. Bu nedenle, nöromorfik sistemlerin insan benzeri doğası, onları birçok AB vatandaşının gelecekte yasaklanmasını isteyeceği robot kategorilerine yerleştirebilir.

kişilik

Nöromorfik sistemler giderek daha gelişmiş hale geldikçe, bazı bilim adamları bu sistemlere kişilik hakları verilmesini savundular . İnsanlara kişiliklerini veren beyinse, bir nöromorfik sistem, kişilik haklarına sahip olmak için insan beynini ne ölçüde taklit etmek zorundadır? Beyinden ilham alan hesaplamayı geliştirmeyi amaçlayan İnsan Beyni Projesi'ndeki teknoloji geliştirme eleştirmenleri, nöromorfik hesaplamadaki ilerlemenin makine bilincine veya kişiliğe yol açabileceğini savundu. Eleştirmenler, eğer bu sistemler insan olarak ele alınacaksa, o zaman, nöromorfik sistemlerin sonlandırılması eylemi de dahil olmak üzere, insanların nöromorfik sistemleri kullanarak gerçekleştirdiği birçok görev, bu eylemler nöromorfik sistemlerin özerkliğini ihlal edeceğinden ahlaki olarak kabul edilemez olabilir.

İkili kullanım (askeri uygulamalar)

Ortak Yapay Zeka Merkezi , ABD ordusu bir kolu, AI yazılım ve muharebe kullanım için nöromorfik donanım tedarik ve kurulumu için çalışan bir merkezdir. Özel uygulamalar arasında akıllı kulaklıklar/gözlükler ve robotlar bulunur. JAIC, nöromorfik özellikli birimler ağı içinde "her savaşçıyı, her atıcıyı" birbirine bağlamak için nöromorfik teknolojiye büyük ölçüde güvenmeyi amaçlamaktadır.

Yasal hususlar

Şüpheciler, elektronik kişilik kavramını, nöromorfik teknolojiye uygulanacak kişilik kavramını yasal olarak uygulamanın hiçbir yolu olmadığını savundular. 285 hukuk, robotik, tıp uzmanları ve tüzel kişiler olarak “akıllı robotlar” tanımak için bir Avrupa Komisyonu öneriye karşı etik tarafından imzalanan mektupta, yazarlar yazma “bir robot için bir yasal statü türetmek olamaz Doğal Kişi Bu durumda robot , haysiyet hakkı, bütünlüğü hakkı, ücret hakkı veya vatandaşlık hakkı gibi insan haklarına sahip olacağından , böylece doğrudan İnsan haklarıyla karşı karşıya kalacaktır . Bu , Avrupa Birliği Temel Haklar Şartı ve İnsan Hakları ve Temel Özgürlüklerin Korunmasına İlişkin Sözleşme ile çelişecektir .”

Mülkiyet ve mülkiyet hakları

Mülkiyet hakları ve yapay zeka hakkında önemli yasal tartışmalar var. In Acohs Pty Ltd v. Ucorp Pty Ltd , Adalet Christopher Jessup Avustralya Federal Mahkemesi bulundu kaynak kodu için Malzeme Güvenlik Bilgi Formları edilemeyen telifli bir tarafından oluşturulan olarak yazılım arayüzü yerine bir insan yazar. Aynı soru nöromorfik sistemler için de geçerli olabilir: eğer bir nöromorfik sistem başarılı bir şekilde bir insan beynini taklit ederse ve bir parça orijinal eser üretirse, eğer herhangi biri varsa, işin mülkiyetini kim talep edebilir?

nöromemristif sistemler

Neuromemristive sistemleri kullanımının ön plana nöromorfik hesaplama sistemlerinin bir alt sınıfıdır memristors uygulamak nöroplastisitenin . Nöromorfik mühendislik biyolojik davranışı taklit etmeye odaklanırken, nöromemristif sistemler soyutlamaya odaklanır. Örneğin, bir nöromemristif sistem, bir kortikal mikro devrenin davranışının ayrıntılarını soyut bir sinir ağı modeliyle değiştirebilir.

Üst düzey örüntü tanıma uygulamalarında uygulamaları olan memristörlerle uygulanan birkaç nörondan ilham alan eşik mantığı işlevi vardır . Yakın zamanda bildirilen uygulamalardan bazıları konuşma tanıma , yüz tanıma ve nesne tanımayı içermektedir . Ayrıca, geleneksel dijital mantık kapılarının değiştirilmesinde uygulamalar bulurlar.

İdeal pasif bellek devreleri için devrenin dahili belleği için tam bir denklem (Caravelli-Traversa- Di Ventra denklemi) vardır:

{\frac {d}{dt}}{\vec {W}}=\alpha {\vec {W}}-{\frac {1}{\beta }}(I+\xi \Omega W) ^{-1}\Omega {\vec {S}}

fiziksel bellek ağının ve dış kaynakların özelliklerinin bir fonksiyonu olarak. Yukarıdaki denklemde , "unutma" zaman ölçeği sabitidir ve memristörlerin limit dirençlerinin kapalı ve açık değerlerinin oranıdır, devre kaynaklarının vektörüdür ve temel döngüler üzerinde bir projektördür. devre. Sabit , bir voltaj boyutuna sahiptir ve memristörün özellikleriyle ilişkilidir ; fiziksel kaynağı iletkendeki yük hareketliliğidir. Çapraz matris ve vektör ve sırasıyla, 0 ile 1 arasında değerlerle memristörlerin dahili değeridir. Bu nedenle, bu denklem güvenilir olması için bellek değerlerine ekstra kısıtlamalar eklenmesini gerektirir. ${\görüntüleme stili \alfa }$ ${\görüntüleme stili \xi =r-1}$ $r={\frac {R_{\text{off}}}{R_{\text{on}}}}$ ${\ Displaystyle {\vec {S}}}$ ${\görüntüleme stili\Omega }$ ${\görüntüleme stili \beta }$ $W=\operatöradı {diag} ({\vec {W}})$ ${\görüntüleme stili {\vec {W}}}$