قام الباحثون في التخنيون وشركة تاور جاز بتطوير تقنية تكيف الترانزستورات التجارية مع عصر الذكاء الاصطناعي

البحث المنشور في مجلة Nature Electronics أشرف عليه طالب الدكتوراه لويس دانيال والبروفيسور شاهار كوتينسكي من كلية فيتيربي للهندسة الكهربائية في التخنيون، بالتعاون مع البروفيسور يعقوب رويزين والدكتور يفغيني بيهاي من شركة تاور جاز والبروفيسور مشنا رامز دانيال من كلية الهندسة الطبية الحيوية في التخنيون.

قام الباحثون في التخنيون وشركة تاور جاز بتطوير تقنية تحول مكونات ذاكرة الفلاش التجارية الخاصة بشركة تاور جاز إلى ميمريستورات - وهي أجهزة تحتوي على الذاكرة والقدرة الحاسوبية. تعمل هذه التكنولوجيا، التي تم تطويرها مستوحاة من عمل الدماغ البشري، على تسريع عمل خوارزميات الذكاء الاصطناعي (AI) بشكل كبير.

البحث المنشور في مجلة Nature Electronics أشرف عليه طالب الدكتوراه لويس دانيال والبروفيسور شاهار كوتينسكي من كلية فيتيربي للهندسة الكهربائية في التخنيون، بالتعاون مع البروفيسور يعقوب رويزين والدكتور يفغيني بيهاي من شركة تاور جاز والبروفيسور مشنا رامز دانيال من كلية الهندسة الطبية الحيوية في التخنيون.

منذ بداية رحلتها، تفوقت أجهزة الكمبيوتر على البشر في حل مشاكل الفواتير، ولكن في التعرف على الصور وتصنيف الخصائص داخل الصورة واتخاذ القرارات، تخلف الكمبيوتر عن البشر لعقود من الزمن. وقد تم سد هذه الفجوة في السنوات الأخيرة من خلال الذكاء الاصطناعي، القادر على تنفيذ عمليات معقدة بناءً على التدريب المبني على الأمثلة. في العقود الأخيرة، تم تخصيص موارد هائلة لتطوير الذكاء الاصطناعي على مستوى البرمجيات، وهو الاستثمار الذي أدى إلى قفزة إلى الأمام في فعالية الذكاء الاصطناعي في العديد من المجالات المتنوعة، بما في ذلك الطب والنقل الذكي والروبوتات والزراعة.

إن الوقود الذي يحرك عالم الذكاء الاصطناعي هو البيانات، وبشكل أكثر تحديدا البيانات بكميات هائلة (البيانات الضخمة). ولهذا السبب فإن التقدم الكبير في الذكاء الاصطناعي "انتظر" التحسن الكبير في قوة الحوسبة. لكن التطور السريع في أداء البرمجيات ترك الأجهزة وراءها، وتأخر تطوير الأجهزة المناسبة لمتطلبات برمجيات الذكاء الاصطناعي لسنوات عديدة. مطلوب من هذه الأجهزة أن تعمل بشكل جيد من حيث السرعة والطاقة المنخفضة والدقة والمساحة والسعر. من الصعب جدًا تحقيق كل هذا في نموذج الأجهزة التقليدي - وهو نموذج للحساب الرقمي (العددي).

يحد النموذج الرقمي من أداء الأجهزة في سياقين رئيسيين: 1. تواجه هذه الأجهزة صعوبة في إجراء العديد من العمليات في نفس الوقت، لأنها مصممة لأداء عدد صغير نسبيًا من العمليات؛ 2. لا يمكنهم إظهار دقة كبيرة إلا مقابل استهلاك موارد كبيرة جدًا من الطاقة والوقت. ولذلك، يقول الباحثون، إن الأجهزة المبتكرة مطلوبة لتناسب عصر الذكاء الاصطناعي.

يوضح البروفيسور كوتينسكي: "أحد التحديات الرئيسية التي يفرضها الذكاء الاصطناعي على مهندسي الأجهزة هو تنفيذ خوارزميات معقدة تتطلب (أ) تخزين الكثير من المعلومات في ذاكرة الكمبيوتر؛ (ب) الاسترجاع السريع من الذاكرة؛ (ج) إجراء العديد من العمليات الحسابية في نفس الوقت؛ و (د) دقة عالية. الأجهزة الرقمية القياسية (المعالجات) غير مناسبة لذلك للأسباب المذكورة أعلاه."

هذه هي خلفية التكنولوجيا الجديدة المعروضة في المقالة المنشورة في Nature Electronics. وفقًا للبروفيسور كوتينسكي، "تعمل تقنيتنا على تحويل الأجهزة، التي هي في الأساس رقمية، إلى بنية تحتية عصبية - بنية تحتية شبه تناظرية تشبه الدماغ. وبما أن الدماغ يقوم بملايين العمليات في نفس الوقت، فإن أجهزتنا تقوم أيضًا بالعديد من العمليات في نفس الوقت وبالتالي تسرع جميع العمليات المتعلقة بها."

يقول طالب الدكتوراه لويس دانييل: "إن الحساب العصبي يثير اهتمامي على المستوى الشخصي كطالب هندسة كمبيوتر وكشخص فقد والده نتيجة لمرض عصبي نادر. لقد كان الدماغ دائمًا مصدرًا للإلهام لأنظمة الحوسبة، والتحدي الذي يواجهني هو فهم الآلية الحسابية لعمل الدماغ من خلال مجموعة أدوات هندسية. في الدراسة الحالية، أظهرنا شريحة كهربائية تعتمد على التكنولوجيا القياسية التجارية وتظهر قدرتين مهمتين: الذاكرة الترابطية، التي تعمل بشكل مشابه للدماغ بناءً على الميزات بدلاً من البحث في الفهرس؛ والقدرة على التعلم."

إن الذاكرة الترابطية، المألوفة لنا من خلال فعل التفكير البشري، تعني أننا عندما نرى العيون، على سبيل المثال، فإننا لا نبحث عن تطابق العين مع قسم ما في فهرس العناصر، ولكن نحدد العين بشكل ارتباطي. إنها آلية سريعة وفعالة وموفرة للطاقة. وكما هو الحال في الدماغ، يتم تحسين قدرة النظام على التعلم عن طريق تغيير وتحديث الاتصالات بين المشابك العصبية والخلايا العصبية.

وفقا للبروفيسور رويزين من تاور جاز، "التكنولوجيا الجديدة سهلة التنفيذ وتحول ترانزستور تاور جاز، الذي تم تصميمه في الأصل لتخزين المعلومات فقط، إلى ممرستور - وحدة لا تحتوي على الذاكرة فحسب، بل تحتوي أيضًا على القدرة على الحساب . نظرًا لوجود المرستور فوق ترانزستورات TowerJazz الموجودة، فإنه يتفاعل على الفور مع جميع الأجهزة التي تعمل معها هذه الترانزستورات. تم اختبار التكنولوجيا الجديدة في ظل ظروف حقيقية وأظهرت أنه يمكن بالفعل تنفيذها في بناء الشبكات العصبية في الأجهزة وبالتالي تحسين أداء أنظمة الذكاء الاصطناعي التجارية بشكل كبير. وعلى غرار الدماغ، يتفوق النظام المحسن في الاحتفاظ بالمعلومات على المدى الطويل واستهلاك منخفض جدًا للطاقة.

وفقًا للأستاذ المشارك رامز دانيال، الذي كان مهندسًا كهربائيًا سابقًا في تاور جاز وعضو هيئة تدريس حاليًا في كلية الهندسة الطبية الحيوية في التخنيون، "تنبع القوة الحسابية للجهاز المحسن من قدرته على العمل في مجال التوصيل الفرعي، و بكلمات بسيطة - بطريقة مشابهة للآليات البيولوجية الطبيعية. ونتيجة لذلك، فإننا نحقق كفاءة عالية بطاقة منخفضة، مثل الآليات التي تطورت في الطبيعة على مدى مليارات السنين من التطور.

وشارك في الدراسة باحثو التخنيون، إريك هيربلين، ونيكولاس وينشتاين، وفاسو غوبتا، ونمرود والد من مجموعة أبحاث البروفيسور كوتينسكي.

تم إجراء البحث بدعم من لجنة التخطيط والميزانية الوطنية، ومنحة كامين من وزارة الاقتصاد، ومنحة أندرو وإيرنا فينشي فيتربي لطلاب الدراسات العليا ومنحة من مجلس البحوث الأوروبي. قام لويس دانييل مؤخرًا بتقديم البحث المذكور أعلاه في مؤتمر الطبيعة في الصين، كما فاز بجائزة المقال المتميز في المؤتمر.

نبذة عن شركاء البحث:

حصل البروفيسور شاهار كوتينسكي على درجة البكالوريوس والماجستير في الجامعة العبرية والدكتوراه في التخنيون وعمل في شركة إنتل في تصميم الدوائر. بعد حصوله على درجة ما بعد الدكتوراه في جامعة ستانفورد، عاد إلى التخنيون كعضو هيئة تدريس في كلية فيتربي للهندسة الكهربائية. على مر السنين، حصل على العديد من الجوائز، بما في ذلك جائزة كريل للتميز في البحث العلمي من مؤسسة وولف، ومنحة فيتربي، ومنحة جاكوبس ومنحة ERC، بالإضافة إلى سبع جوائز للتميز في التدريس.

أكمل لويس دانيال درجة البكالوريوس في التخنيون، وفي 2016-2013 عمل في مختبرات أبحاث IBM في حيفا. يقوم حاليًا بتحضير درجة الدكتوراه (بمسار مباشر) تحت إشراف البروفيسور كوتينسكي. حصل على جائزة هيرشل ريتش للابتكار وريادة الأعمال، وجائزة أندرو وإيرنا فينشي فيتربي لطلاب الدراسات العليا، ومنحة VTA لطلاب الدكتوراه المتميزين من المجتمع العربي.

البروفيسور ياكوف رويزين هو مدير البحث والتطوير للتقنيات المستقبلية وزميل في Tower-Jazz. وهو أستاذ زائر في التخنيون وجامعة تل أبيب. يتمتع يعقوب بخبرة واسعة تصل إلى 40 عامًا في مجال تطوير المكونات في صناعة أشباه الموصلات. على مدى السنوات الـ 23 الماضية، كان يعمل في Tower Jazz ويتخصص في تطوير تقنيات CMOS الفريدة والمكونات المبتكرة. وقد نشر أكثر من 200 دراسة وحاصل على أكثر من 50 براءة اختراع (براءات اختراع أمريكية) في مجال أشباه الموصلات وتكنولوجيا المكونات.

الدكتور يفغيني بيهاي هو أحد كبار مهندسي المكونات في شركة Tower Jazz. يتمتع بخبرة 15 عامًا في تطوير مكونات CMOS التي تشمل الذكريات المتكاملة (NVM المضمنة) والخلايا الشمسية وأجهزة استشعار الإشعاع المؤين. حصل يفغيني على درجة البكالوريوس في التخنيون، ودرجة الماجستير في جامعة تل أبيب، والدكتوراه في التخنيون. وقد نشر أكثر من 40 مقالاً وبراءة اختراع.

حصل البروفيسور المشارك رامز دانيال على درجة البكالوريوس في كلية فيتربي للهندسة الكهربائية في التخنيون ودرجة الماجستير في الهندسة الإلكترونية والكهربائية في جامعة تل أبيب، وبعد ذلك دخل في الصناعة. وبعد ثماني سنوات من العمل في تاور جاز، واصل دراسته للحصول على درجة الدكتوراه، ثم حصل على درجة ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، حيث قام ببناء أول كمبيوتر بيولوجي داخل البكتيريا. يشغل حاليًا منصب رئيس مختبر الأحياء الاصطناعية في كلية الهندسة الطبية الحيوية في التخنيون.