El cerebro humano como inspiración para mejorar los sensores y las prestaciones de los ordenadores

El cerebro es capaz de procesar una media de 400.000 millones de bits de información por segundo, aunque de todos ellos, solo somos conscientes de unos 2.000 bits, siendo los que conforman nuestra conciencia. A pesar de todo, el nivel de eficiencia y eficacia sigue siendo superior a las de los ordenadores más potentes del mundo, como Frontier, del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y que es capaz de abarcar 372 metros cuadrados y consumir 40 millones de potencia en su punto máximo.

Es por ello que los investigadores están procurando con el paso del tiempo que las nuevas maquinarias se asemejen más a la mentalidad humana, apostando por la inteligencia artificial como principal aliado. Y es que el cerebro humano posee un volumen medio de 1.260 centímetros cúbicos y consume unos 12 W de potencia.

A pesar de su constante entrenamiento, Frontier necesita mucho tiempo para reconocer los rostros humanos, aunque éstos no podrán mostrar expresiones inusuales. Se busca que se asemeje más aún a la mente humana, que consuma menos energía y que sea capaz de reconocer objetos de todas las categorías más rápidamente.

A partir de su ambición por conocer el funcionamiento exacto del cerebro humano, y en concreto para examinar en profundidad la corteza cerebral y registrar la actividad neuronal, un grupo de científicos belgas está intentando crear una nueva generación de chips que funcionen de manera similar a las neuronas. Aunque desconocen cómo hacen las conexiones, su objetivo es que sean capaces de reemplazar a las unidades de procesamiento (CPU) y a las unidades de procesamiento de gráficos en un plazo medio de diez años. De este modo, todo el almacenamiento de la información del ordenador quedaría centralizado.

Los científicos belgas pertenecen al Centro Interuniversitario de Microelectrónica (Imec) y trabajar por desarrollar este concepto denominado como computación neuromórfica. Por eso, están realizando cálculos más profundos que deben tener en cuenta funciones intermedias como los canales iónicos y los cálculos dendríticos.

Los sensores como punto de partida de la investigación

Es por ello que se están poniendo en marcha pilas de memoria multicapa para reducir el problema de los cuellos de botella que presentan las GPU. Los investigadores de Imec están trabajando por acelerar el nivel de procesamiento a través de los sensores (audio, radar, lidar y visión). Este último sensor funciona como la retina humana, es decir, cada píxel envía una señal independiente si se detecta una variación en la cantidad de luz que recibe.

Ahora la clave de la investigación pasa por ser capaces de demostrar que los nuevos algoritmos y hardware trabajan a baja potencia y baja latencia desde el momento en el que son integrados en un sensor.

El poder de conexión de las redes neuronales

Los investigadores de Imec quieren imitar las redes neuronales de picos en sus nuevos chips, de tal modo que la información pasa de una neurona a la otra emitiendo a su vez un pico. Es cierto que mientras se integran acumulan picos y esto puede derivar en la producción de fugas, aunque ni se realizan cálculos en la red neuronal ni se utiliza energía.

Empleando la citada tecnología de red neuronal de picos, un sensor puede transmitir tuplas que incluyen la coordenada X y al coordenada Y del píxel que se está disparando, la polaridad (si es hacia arriba o hacia abajo) y el tiempo que tarda en hacerlo. El sensor puede llegar a crear muchos eventos simultáneamente.

El sensor realiza un filtrado determinando el ancho de banda que debe emitir en función de la dinámica de la escena. Los diseñadores belgas están aplicando inteligencia artificial a los sensores par que filtren los datos de forma similar a la mente humana. Por eso su objetivo es imitar el algoritmo de filtrado que va en la retina y que envían datos a una computadora central.

Desde la década de 1980 se ha intentado imitar a las neuronas en punta de silicio, pero el entrenamiento de las redes neuronales de picos era realmente complejo. Si ésta se efectúa, la implementación posterior del hardware es realmente sencilla. Imec le ha dado un giro a esa actuación y ha desarrollado algoritmos en software que demuestran que una configuración apropiada de neuronas de pico, con las conexiones apropiadas, puede funcionar correctamente. El trabajo era realizado en CMOS estándar.

El horizonte que le espera

La computación neuromórfica se plantea ahora la fusión de sensores, algo que se está llevando a cabo en campos como la automoción, la robótica o los drones. El objetivo es poner en funcionamiento el nuevo chip para la fusión de sensores en este mismo 2023. Sería en una representación 3D coherente, asegura Ilja Ocket , gerente de programas de Computación neuromórfica en Imec.

Imec también pretende que se pongan en circulación cámaras basadas en eventos con rango dinámico y resolución temporal muy elevadas. A partir de que la cámara de eventos se integre en un teléfono inteligente acabará funcionando perfectamente, mediante un mecanismo de activación intrínseco.