سامسونج للإلكترونيات تكشف عن رؤيتها لتقنية “نسخ” و “لصق” الدماغ على رقائق عصبية

سامسونج للإلكترونيات تكشف عن رؤيتها لتقنية “نسخ” و “لصق” الدماغ على رقائق عصبية

• سامسونج تطرح نهجاً جديداً بالتعاون مع باحثي هارفارد لمحاكاة هندسة الدماغ على شريحة ذاكرة في ورقة بحثية بعنوان (الإلكترونيات العصبية)

 عكاظ الاخبارية :

[عمّان – الأردن، 7 كانون الأول 2021] – شاركت سامسونج للإلكترونيات المحدودة، الشركة الرائدة عالمياً في تكنولوجيا أشباه الموصلات المتقدمة اليوم، في رؤية جديدة من شأنها أن تأخذ العالم خطوة أقرب للتوصل إلى الرقائق العصبية التي يمكنها محاكاة آلية عمل الدماغ بشكل أفضل.

وتم نشر هذه الرؤية التي وضعها كبار المهندسين والباحثين من سامسونج وجامعة هارفارد على شكل ورقة بحثية حملت عنوان (الإلكترونيات العصبية) Neuromorphic Electronics، والتي استندوا فيها على إمكانية استنساخ وتطبيق (نسخ ولصق) آليات عمل الدماغ من خلال الإلكترونيات الطبيعية. وشارك في هذا البحث كل من دوني هام زميل معهد سامسونج المتقدم للتكنولوجيا والأستاذ في جامعة هارفارد، والبروفيسور هونغكان بارك من جامعة هارفارد، وسانغوو هوانغ الرئيس والمدير التنفيذي لشركة Samsung SDS والرئيس السابق لمعهد سامسونج المتقدم للتكنولوجيا، وكينام كيم، نائب رئيس مجلس الإدارة والرئيس التنفيذي لشركة سامسونج للإلكترونيات.

ويمكن تقديم أفضل تلخيص لجوهر الرؤية التي طرحها المؤلفون في كلمتين، وهما: “النسخ” و “اللصق”. وتقترح الورقة طريقة لنسخ خريطة الاتصال العصبي للدماغ باستخدام مصفوفة قطب نانوية متطورة طورها الباحثان هام وبارك، ولصق هذه الخريطة على شبكة ثلاثية الأبعاد عالية الكثافة لذاكرة الحالة الصلبة، وهي تقنية ابتكرتها سامسونج ما يجعل منها رائدة على مستوى العالم.

ومن خلال طريقة النسخ واللصق المذكورة، يقترح الباحثون المشاركون في البحث تطوير شريحة ذاكرة تشبه إلى حد بعيد سمات الحوسبة الفريدة للدماغ (الطاقة المنخفضة)، وتقوم على عوامل التعلم السهل والتكيف مع البيئة ومن ثم الوصول إلى الاستقلالية والإدراك التي كانت بعيدة عن التكنولوجيا الحالية.

ويتكون الدماغ من عدد كبير من الخلايا العصبية، وتوجد به خريطة سلكية خاصة مسؤولة عن وظائف الدماغ، وهذا يعني أن معرفة هذه الخريطة يمثل مفتاح الهندسة العكسية للدماغ.

ومع أن الهدف الأصلي للهندسة العصبية التي تم إطلاقها في ثمانينيات القرن الماضي كان يتمثل في محاكاة بنية ووظيفة الشبكات العصبية على شريحة من السيليكون، إلا أنه ثبت لاحقاً مدى صعوبتها، ولا يُعرف حتى الآن سوى القليل عن كيفية توصيل عدد كبير من الخلايا العصبية مع بعضها لتحقيق وظائف أعلى للدماغ. وبالتالي، تم تسهيل هندسة الأشكال العصبية من أجل تصميم شريحة “مستوحاة” من الدماغ بدلاً من تقليدها بدقة.

ويقترح البحث الاعتماد على طريقة للعودة إلى الهدف العصبي الأصلي للهندسة العكسية للدماغ، حيث يمكن لمصفوفة الأقطاب الكهربائية النانوية أن تدخل بشكل فعال عدداً كبيراً من الخلايا العصبية حتى تتمكن من تسجيل إشاراتها الكهربائية بدرجة عالية من الحساسية. وتتولى هذه التسجيلات المتوازية بشكل كبير عملية التواصل ضمن خريطة الخلايا العصبية المتداخلة، ما يشير إلى مكان اتصال الخلايا العصبية مع بعضها بعضاً ومدى قوة هذه الاتصالات بينها. ومن خلال هذه التسجيلات الناقلة، يمكن بعد ذلك استخراج خريطة التشابك العصبية أو “نسخها”.

وبعد إكمال الخطوة السابقة، يمكن “لصق” الخريطة العصبية المنسوخة على شبكة من الذاكرة غير المتطايرة (المستدامة)، مثل ذاكرات الفلاش التجارية المحمولة التي تستخدم في حياتنا اليومية في محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة، أو أنواع الذاكرة “الجديدة”، مثل ذاكرة الوصول العشوائي (RRAM)، وذلك عن طريق برمجة كل ذاكرة، بحيث يمثل توصيلها قوة لكل اتصال عصبي في الخريطة المنسوخة.

ويتخذ البحث خطوة إلى الأمام عندما يقترح المشاركون تطوير استراتيجية للصق خريطة الأسلاك العصبية بسرعة على شبكة الذاكرة. ويمكن لشبكة من أنواع الذاكرة المستدامة المصممة خصيصاً التعرف على خريطة اتصال الخلايا العصبية والتعبير عنها، عندما تكون مدفوعة مباشرة بالإشارات المسجلة داخل الخلايا. وتعتمد هذه الفكرة على تنزيل خريطة الاتصال العصبي للدماغ مباشرة على شريحة الذاكرة.

وبما أن الدماغ البشري يحتوي على قرابة 100 مليار من الخلايا العصبية، أي ما يزيد بمقدار ألف مرة أو أكثر من الوصلات العصبية المشبكية، فإن الشريحة العصبية النهائية ستتطلب 100 تريليون ذاكرة تقريباً. وسيكون دمج هذا العدد الهائل من وحدات الذاكرة على شريحة واحدة ممكناً من خلال التكامل ثلاثي الأبعاد للذاكرة، وهي التكنولوجيا التي تقودها سامسونج ودشنت من خلالها حقبة جديدة لصناعة الذاكرة.

وعن طريق الاستفادة من خبرتها الرائدة في تصنيع الرقائق، تعتزم سامسونج مواصلة أبحاثها في الهندسة العصبية من أجل توسيع نطاق ريادتها في الجيل التالي من أشباه الموصلات للذكاء الاصطناعي.

وقال الدكتور هام: “إن الرؤية التي نطرحها تعتبر طموحة للغاية. لكن العمل الجاد الذي نقوم به من أجل هذا الهدف الكبير سيسهم في دفع حدود الذكاء الآلي وعلم الأعصاب وتكنولوجيا أشباه الموصلات إلى آفاق أعلى”.

Samsung Electronics Puts Forward a Vision to ‘Copy and Paste’ the Brain on Neuromorphic Chips

With Harvard Researchers, Samsung introduces a new approach to reverse engineer the brain on a memory chip, in a Perspective paper published in Nature Electronics

AMMAN, Jordan – Dec. 7, 2021 – Samsung Electronics Co., Ltd., a world leader in advanced semiconductor technology, today shared a new insight that takes the world a step closer to realizing neuromorphic chips that can better mimic the brain.

Envisioned by the leading engineers and scholars from Samsung and Harvard University, the insight was published as a Perspective paper, titled ‘Neuromorphic electronics based on copying and pasting the brain’, by Nature Electronics. Donhee Ham, Fellow of Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) and Professor of Harvard University, Professor Hongkun Park of Harvard University, Sungwoo Hwang, President and CEO of Samsung SDS and former Head of SAIT, and Kinam Kim, Vice Chairman and CEO of Samsung Electronics are the co-corresponding authors.

The essence of the vision put forward by the authors is best summed up by the two words, ‘copy’ and ‘paste’. The paper suggests a way to copy the brain’s neuronal connection map using a breakthrough nanoelectrode array developed by Dr. Ham and Dr. Park, and to paste this map onto a high-density three-dimensional network of solid-state memories, the technology for which Samsung has been a world leader.

Through this copy and paste approach, the authors envision to create a memory chip that approximates the unique computing traits of the brain – low power, facile learning, adaptation to environment, and even autonomy and cognition – that have been beyond the reach of current technology.

The brain is made up of a large number of neurons, and their wiring map is responsible for the brain’s functions. Thus the knowledge of the map is the key to reverse engineering the brain.

While the original goal of neuromorphic engineering, launched in the 1980s, was to mimic such structure and function of the neuronal networks on a silicon chip, it proved difficult because, even until now, little is known of how the large number of neurons are wired together to create the brain’s higher functions. Thus, the goal of neuromorphic engineering has been eased to designing a chip ‘inspired’ by the brain rather than rigorously mimicking it.

This paper suggests a way to return to the original neuromorphic goal of the brain reverse engineering. The nanoelectrode array can effectively enter a large number of neurons so it can record their electrical signals with high sensitivity. These massively parallel intracellular recordings inform the neuronal wiring map, indicating where neurons connect with one another and how strong these connections are. Hence from these telltale recordings, the neuronal wiring map can be extracted, or ‘copied’.

The copied neuronal map can then be ‘pasted’ to a network of non-volatile memories – such as commercial flash memories that are used in our everyday life in solid-state drives (SSD), or ‘new’ memories such as resistive random access memories (RRAM) – by programming each memory so that its conductance represents the strength of each neuronal connection in the copied map.

The paper takes a step further and suggests a strategy to rapidly paste the neuronal wiring map onto a memory network. A network of specially-engineered non-volatile memories can learn and express the neuronal connection map, when directly driven by the intracellularly recorded signals. This is a scheme that directly downloads the brain’s neuronal connection map onto the memory chip.

Since the human brain has an estimated 100 billion or so neurons, and a thousand or so times more synaptic connections, the ultimate neuromorphic chip will require 100 trillion or so memories. Integrating such vast number of memories on a single chip would be made possible by 3D integration of memories, the technology led by Samsung that opened up a new era for memory industry.

Leveraging its leading experience in chip manufacturing, Samsung is planning to continue its research into neuromorphic engineering, in order to extend Samsung’s leadership in the field of next generation AI semiconductors.

“The vision we present is highly ambitious,” said Dr. Ham. “But working toward such a heroic goal will push

the boundaries of machine intelligence, neuroscience, and semiconductor technology.”