中国の研究者たちは、複雑な脳構造をリアルタイムでシミュレーションできるメモリーチップを開発しました。このブレークスルーは、脳の病気の診断、脳-コンピュータインターフェース、手術ナビゲーションの改善に役立つでしょう。このチップは北京大学と中国科学院の研究者によって作成された40ナノメートルのチップで、人工神経ネットワークをハードウェアに統合しています。チームの報告によれば、このチップは0.5秒未満で脳の複雑な折りたたみ表面を再構築できるとのことです。研究者たちは、このチップの計算速度がNvidia A100グラフィックカードに基づくシステムよりも50倍から478倍速いと指摘しています。
性能向上の理由は、その計算メモリアーキテクチャにあり、同じメモリアレイ内でデータの保存と計算を同時に行うことができるため、別々のメモリと処理ユニット間でデータを移動する際の遅延を減少させています。
研究チームは、相変化抵抗における「導電漂移」を欠陥と見なすのではなく、この特性を利用して神経動的計算を行い、迅速かつ省エネルギーな処理を実現しています。彼らはこのチップを設計したのは、脳の画像化における長年の課題を解決するためであり、従来のハードウェアでは脳の高度に折りたたまれた表面を再構築するために必要な大量のデータに追いつけませんでした。より速い処理速度は、先進的な脳のモデリングを病院でより実用的にし、臨床医が診断や治療の決定において迅速に結果を得ることを可能にします。
記憶と計算の統合
主任著者であり、北京大学集積回路学院の教授および電子工学と計算機工学学院の副学長である楊宇超は、このチップが脳の折りたたみ皮質を正確に再構築でき、医療分野に応用できると述べています。楊教授は国営の《光明日報》に対して、「このブレークスルーは、脳-コンピュータインターフェースおよび脳の病気の診断と治療に新たな可能性を開きました。」と語りました。さらに、「将来的には、個別化された動的なデジタル脳双子が可能になるでしょう。」とも付け加えました。楊教授は、この技術が「リアルタイムで動作するハードウェア基盤を提供し、手術中の神経ナビゲーション、アルツハイマー病の早期スクリーニング、個別化された介入に適用される」と述べています。
人間の脳は複雑な折りたたみ構造を持ち、これにより表面積が増加し、数十億の神経細胞が頭蓋骨内に収容されます。これらの構造を再構築するには、従来は強力な計算システムと長時間の計算が必要であり、時間に敏感な医療環境での応用が制限されていました。この新しい設計は、従来のコンピュータアーキテクチャにおける主要なボトルネック、すなわちメモリとプロセッサの物理的分離を排除しました。これら二つの機能を同じチップ上に統合することで、システムは遅延を減少させ、同時に消費電力を低下させました。
臨床脳画像の加速
ドイツのユリッヒ研究センターの研究者たちは、この方法を「乳製品農場で生乳を処理するのではなく、工場に移す」と例え、データ保存地で計算を行う効率を強調しました。彼らは、このプラットフォームが「ミリ秒単位の遅延で高忠実度の計算を提供し、臨床画像、ロボティクス、具現化された知能のリアルタイムアプリケーションへの道を開く」と指摘しています。研究者たちは、この作業が「神経外科手術におけるリアルタイムの皮質表面追跡を実現し、臨床的決定に組み込む可能性がある」とも述べています。この研究は《科学》誌に発表されました。
項目 規格 製程技術 40 ナノメートル 運算速度提升 Nvidia A100より50倍から478倍速い