نعيش في عصر الذكاء الاصطناعي، ولكن هناك تفصيلٌ غالبًا ما تُغفله الإعلانات المنتصرة: يستهلك الذكاء الاصطناعي كميةً هائلةً من الطاقة. تتطلب الحواسيب العملاقة التي تُدرّب نماذج مثل GPT-4 ميغاواط من الطاقة، بينما يقوم الكائن الذي تسعى إلى محاكاته، وهو الدماغ البشري، بالشيء نفسه (وغالبًا ما يكون أفضل) بحوالي 20 واط. هذا التفصيل المتعلق بالكفاءة يجعل نموذج الذكاء الاصطناعي الحالي غير مستدام.
توقعات استهلاك الطاقة للذكاء الاصطناعي، من وكالة الطاقة الدولية عبر ResearchGate
حلٌّ محتمل، أو ربما ثورةٌ مفاهيمية، يأتي من جامعة جنوب كاليفورنيا (USC). فقد ابتكر فريقٌ من الباحثين خلايا عصبية اصطناعية، لأول مرة، لا تحاكي نشاط الدماغ رياضيًا فحسب، بل تُحاكي أيضًا عملياته الكهروكيميائية. نُشر البحث في مجلة Nature .
البحث الذي نشر في مجلة Nature Electronics المرموقة ، قد يقلل بشكل جذري من حجم الرقائق، ويقلل من استهلاك الطاقة بعدة أوامر من حيث الحجم، وربما يقربنا من ما يسمى بالذكاء العام الاصطناعي (AGI)، بشرط ألا يكون الأخير مجرد حيلة تسويقية ذكية.
الحيلة: من الإلكترونات إلى الأيونات
تعتمد المعالجات الرقمية القياسية، بما فيها الرقائق العصبية الشكلية الحالية، على تدفق الإلكترونات. إنها سريعة، لكنها في جوهرها "غبية": فهي تُجري حسابات برمجية.
يعمل الدماغ، وهو حاسوبنا، بشكل مختلف. فهو يستخدم إشارات كهربائية وكيميائية . عندما تصل نبضة كهربائية إلى المشبك العصبي (الفراغ بين الخلايا العصبية)، تُطلق نواقل عصبية (مواد كيميائية) تُنشّط الخلية العصبية التالية. إنه نظام تناظري معقد وفعال للغاية، يعتمد على حركة الأيونات (مثل البوتاسيوم والصوديوم والكالسيوم).
قام فريق جامعة جنوب كاليفورنيا، بقيادة البروفيسور جوشوا يانغ، بمحاكاة هذه الآلية. قدّموا جهازًا جديدًا يُسمى " الميمرستور الانتشاري ". فبدلًا من استخدام الإلكترونات فقط، يستخدم هذا الجهاز حركة الذرات، وتحديدًا ذرات الفضة ، لتوليد النبضات الكهربائية ومحاكاة فيزياء الدماغ.
يوضح يانغ: "مع أنها ليست أيونات متطابقة تمامًا، إلا أن الفيزياء التي تحكم الحركة الأيونية وديناميكياتها متشابهة جدًا". ويضيف أن الدماغ "هو الرابح التطوري: المحرك الذكي الأكثر كفاءة".
المزايا: مساحة أقل، طاقة أقل
إن ميزة الانتقال من محاكاة البرمجيات إلى محاكاة الأجهزة (ويتوير) هائلة. تتعلم الحواسيب الحالية من خلال البرمجيات، وتتطلب آلاف الأمثلة للتعرف على رقم مكتوب بخط اليد مثلاً. يتعلم الطفل بعد بضعة أمثلة فقط؛ وهذا أكثر كفاءة بشكل لا يُصدق.
تَعِد الخلايا العصبية الاصطناعية الجديدة القائمة على المقاومات الذاكرية الانتشارية بسد هذه الفجوة. وفيما يلي أهم مزاياها:
- الحجم: يتطلب العصبون الاصطناعي التقليدي عشرات إلى مئات الترانزستورات. أما الجهاز الجديد (المسمى 1M1T1R) فيُناسب حجم ترانزستور واحد . وهذا يُمثل انخفاضًا هائلًا في الحجم.
- كفاءة الطاقة: ينخفض الاستهلاك إلى بيكو جول (وربما أتو جول) لكل نبضة عصبية. وهذا يُمثل انخفاضًا كبيرًا مقارنةً بالأنظمة الحالية.
- التعلم: يسمح هذا النهج بالتعلم "الأجهزةي"، وهو أشبه بالتعلم البيولوجي، وهو قابل للتكيف وفعال.
"ولكن" هذا الاكتشاف.
كما هو الحال مع أي ابتكار يُقدّر ذاته، هناك عقبة. فالفضة المستخدمة في هذه التجارب الأولية لا تتوافق بسهولة مع عمليات تصنيع أشباه الموصلات الحالية (CMOS). وسيحتاج الباحثون الآن إلى دراسة أنواع أيونات بديلة تُقدّم ديناميكيات مماثلة، ولكن يُمكن دمجها صناعيًا.
لذا، لن نرى هذه الرقاقات في هواتفنا الذكية غدًا. لكن الطريق واضح. ستكون الخطوة التالية دمج أعداد كبيرة من هذه الخلايا العصبية والمشابك العصبية الاصطناعية لاختبار كفاءة النظام على نطاق واسع. ويختتم يانغ قائلاً: "الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو احتمال أن تساعدنا هذه الأنظمة الشبيهة بالدماغ في اكتشاف رؤى جديدة حول كيفية عمل الدماغ نفسه".
الأسئلة والأجوبة
ما الذي يميز هذه الخلايا العصبية الاصطناعية حقًا؟
الفرق الرئيسي هو أنها لا تُحاكي الدماغ باستخدام برامج (مثل الرقاقات الحالية)، بل تُحاكي وظائفه الفيزيائية. فهي تستخدم حركة الأيونات (الذرات المشحونة، في هذه الحالة الفضة) لنقل الإشارات، مُحاكيةً بذلك العملية الكهروكيميائية التي تحدث في تشابكاتنا العصبية. تستخدم حواسيب اليوم الإلكترونات فقط؛ أما هذه الخلايا العصبية الجديدة فتستخدم فيزياء "البرمجيات الرطبة" البيولوجية.
لماذا يُعدّ هذا الاكتشاف مهمًا؟ ما هي فائدته الرئيسية؟
كفاءة الطاقة. يستهلك الذكاء الاصطناعي الحالي كميات هائلة من الكهرباء (ميغاواط). يستهلك الدماغ البشري، الأكثر قوة، حوالي ٢٠ واط. بنسخ آلية الدماغ الفيزيائية (الأيونات)، تستهلك هذه الخلايا العصبية الجديدة كميات أقل بكثير (بيكوجول لكل نبضة). علاوة على ذلك، فهي أصغر حجمًا بشكل لا يُصدق، إذ تشغل مساحة ترانزستور واحد مقارنةً بمئات التصاميم الحالية.
هل سنراهم على أجهزة الكمبيوتر أو الهواتف الذكية قريبًا؟
لا، ليس فورًا. استخدمت الدراسة أيونات الفضة، وهي مادة لا تتوافق حاليًا مع عمليات تصنيع الرقائق القياسية (CMOS، القائمة على السيليكون). يجب على الباحثين أولًا إيجاد مواد بديلة (أنواع أخرى من الأيونات) تُقدم نفس الأداء الديناميكي، ولكن يُمكن إنتاجها على نطاق صناعي. الطريق واضح، ولكنه لا يزال في مرحلة البحث.
نُشر المقال بعنوان "خلايا عصبية اصطناعية جديدة من الولايات المتحدة تُحاكي الدماغ تمامًا. هل ستوفر الطاقة؟" من موقع Scenari Economici .