3D-чип выведет нейроморфные вычисления на новый уровень эффективности

Сотрудники Массачусетского университета и Информационного директората Исследовательской лаборатории ВВС США недавно сообщили о создании 3-мерной компьютерной микросхемы, которая оптимальна для реализации сложных алгоритмов машинного обучения, таких как свёрточные нейронные сети (CNN).

Устройство, представленное ими в журнале Nature Electronics, состоит из восьми слоёв мемристоров; электрических компонентов, регулирующих силу тока и, таким образом, позволяющих напрямую воплощать аппаратно весовые коэффициенты нейронных сетей.

Новая микросхема в корне отличается от прочих уже известных 3D-устройств, таких как флэш-память 3D NAND, поскольку в тех от слоя к слою меняется функциональная нагрузка (например, сенсорный слой, вычислительный слой, управляющий слой и т.д.).

Реализовать исключительно мемристорные 3D-архитектуры для крупномасштабных вычислительных приложений прежде не получалось: для этого требовались очень сложные технологические процессы и новые способы преодоления проблем, возникающих при работе больших и плотных вычислительных массивов.

Прорыв удалось совершить благодаря изобретению авторами уникальной топологии трёхмерных схем, где каждый индивидуальный мемристор соединяется только с малым количеством таких же устройств в своей непосредственной окрестности. Использование «локальных соединений» привело к подавлению большей части помех между ячейками — так называемая проблема паразитных путей (sneaky path problem).

В отличие от традиционной перекрестной (crossbar) новая мемристорная архитектура оказалась практически идеальной для искусственных нейронных сетей, естественным образом имитируя локальные рецептивные области CNN и обеспечивая аппаратную реализацию стратегий прямого и обратного распространения ошибок.

Исследователи успешно использовали созданную ими 3D-схему для реализации CNN, распознающей рукописные цифры с точностью 98%, и другой, эффективно обнаруживающей края движущихся объектов в видео путём одновременной обработки различных пикселей.

В дальнейшем учёные из Массачусетса планируют интегрировать трёхмерные нейросети с массивами датчиков, чтобы сделать возможным ввод двухмерных матриц данных — сегодня входные данные для большинства нейросетей имеют вид одномерных векторов.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365