A finales de año,
apareció un artículo en Habré que decía que IBM podía crear el primer chip de 8 bits basado en memoria con memoria de cambio de fase (memoria de cambio de fase o PCM).
Hoy le diremos cómo funciona el dispositivo representado por el gigante de TI.
/ foto IBM Research CC BY-ND¿Cuál es el propósito de desarrollar un chip?
Los sistemas modernos de aprendizaje automático operan principalmente sobre la base de procesadores gráficos (GPU). Requieren enfriamiento activo, ya que la GPU
puede calentarse hasta dos veces más rápido que las unidades centrales de procesamiento (CPU). Esto se traduce en grandes facturas de electricidad para los centros de datos en los que se encuentran dichos clústeres informáticos.
La cuestión de reducir el consumo de energía es importante para los centros de datos (DPC). Según los
analistas , para 2025, los centros de datos consumirán el 20% de toda la electricidad generada. Para reducir los costos del centro de datos, se están desarrollando nuevas tecnologías para el aprendizaje automático (MO). Estos incluyen la memoria analógica de cambio de fase (PCM) de 8 bits de IBM. Según los desarrolladores, los nuevos chips serán cien veces más productivos que las GPU clásicas y requerirán 280 veces menos energía.
Las ventajas de la memoria PCM se explican por el hecho de que el procesamiento y almacenamiento de datos se
produce en un dispositivo. En los sistemas tradicionales, estos procesos están separados: los datos deben transferirse de un dispositivo a otro y, debido a esto, la velocidad de los cálculos y su eficiencia energética se reducen.
El chip funciona con números de coma flotante de 8 bits. Por lo general, el aprendizaje automático utiliza números con mayor precisión, sin embargo, según los investigadores de IBM, esto es suficiente para las tareas cotidianas.
Los creadores de la tecnología
lograron aplicarla en la traducción de textos y el reconocimiento de voz e imágenes. Jeff Welser, vicepresidente de investigación de IBM,
comparó el funcionamiento de una red neuronal en un chip con una persona que ve una figura borrosa en una ventana empañada, pero aún reconoce a su pariente o amigo en este lugar.
IBM ya ha mostrado los primeros resultados de la memoria PCM con tecnologías de aprendizaje automático. Se lanzó una red neuronal simple de una sola capa en el chip, que reconoció los números escritos a mano 1, 0 y 4. El algoritmo distinguió las imágenes con una precisión del 100%.
Cómo funciona la memoria analógica de IBM
El chip está hecho de una aleación de germanio, teluro y antimonio, colocada entre dos electrodos. Cuando una corriente pasa a través del material, cambia su estado de cristalino a amorfo. Estos estados significan cero o uno.
Debido al hecho de que la fase no cambia en todo el volumen de la aleación, sino solo en su parte, los valores intermedios entre 0 y 1 se pueden almacenar en la celda. Cuando se escriben en la memoria, los números no se "redondean", y esto ayuda a lograr una mayor precisión de los algoritmos que funcionan en el chip
Se cree que este método de almacenamiento de datos transmite con mayor precisión el comportamiento de las neuronas en el cerebro humano.
Al leer los datos, se pasa una pequeña corriente a través de la celda y se mide la resistencia. En el estado amorfo, la resistencia de la aleación resulta ser más alta que la cristalina: este parámetro determina el número almacenado en la celda.
Aunque el voltaje de lectura es más bajo que el requerido para cambiar el estado de fase del material, conduce a un ligero cambio de partículas y distorsión de datos. Por lo tanto, IBM mejoró la memoria PCM y agregó una capa adicional de nitruro de titanio al dispositivo, que "
envuelve " la aleación, se llamaba reflector.
/ Koelmans, WW y col. Dispositivos de memoria de cambio de fase proyectados / CC BYAl registrar datos, el reflector no afecta el paso de corriente a través de la aleación, ya que la resistencia del nitruro de titanio en este caso es mayor que la resistencia del material celular. Al leer los datos, la resistencia del material de la celda se vuelve más alta que la del reflector y, por lo tanto, la corriente pasa a través de la capa externa, evitando la aleación. IBM llamó a este tipo de memoria Proj-PCM, o PCM proyectado: "PCM con reflector".
Perspectiva tecnológica
En la industria de TI, el nuevo chip reaccionó positivamente. Según
el editor científico de Ars Technica, el dispositivo tiene un gran potencial: con el desarrollo de la tecnología y una reducción en el tamaño de la celda de memoria, IBM puede aumentar la productividad del dispositivo al menos cien veces. Sin embargo, el gigante de TI aún tiene que resolver varias dificultades.
El primero es la producción en masa de memoria PCM. Según el analista de mercado de procesadores Linley Gwennap, las características del chip, como el voltaje de funcionamiento y la resistencia del circuito electrónico, varían de un dispositivo a otro. Gwennap cree que IBM aún no ha desarrollado un proceso de fabricación adecuado, por lo que el chip analógico no se convertirá pronto en un producto comercial.
Otra dificultad es la
resistencia a los cambios de temperatura. Ahora, bajo la influencia del calor o el frío, la aleación cambia su fase. Por lo tanto, los creadores del dispositivo tienen que encontrar una forma de proteger el chip de las fluctuaciones de temperatura. Probablemente la solución será reducir el tamaño del dispositivo: los estudios
muestran que el material es menos susceptible a la temperatura con un espesor de capa de varios nanómetros.
/ foto IBM Research CC BY-ND¿Quién más está desarrollando chips para el MO?
La startup Mythic está desarrollando una tecnología similar. En el corazón del dispositivo de la compañía hay una memoria flash de
niveles múltiples (celda de niveles múltiples o MLC). Una celda de chip no
puede almacenar dos o cuatro niveles de carga, como en los dispositivos de memoria flash más comunes, sino 256. Esto aumenta enormemente su capacidad. Se espera que dicha memoria se
use para implementar algoritmos de aprendizaje automático en Internet de dispositivos: teléfonos inteligentes, drones, altavoces inteligentes y
audífonos .
Otro chip similar es
creado por Syntiant. Los cálculos en el dispositivo también se realizan en la memoria MLC. La principal ventaja de la tecnología es el bajo consumo de energía. Los representantes de la compañía dicen que su dispositivo consume 50 veces menos electricidad que los procesadores digitales. Syntiant también se utilizará en dispositivos que funcionan con baterías: teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles, sensores y cámaras de vigilancia. La startup ya está
trabajando en la primera implementación comercial de la tecnología: un micrófono "inteligente".
En general, los chips PCM analógicos aún no están diseñados para computación de alta precisión. Por lo tanto, se usan en combinación con procesadores centrales y gráficos. IBM cree que la arquitectura híbrida puede lograr un equilibrio entre rendimiento y precisión. Pero en el futuro, se espera que la memoria analógica
pueda reemplazar los chips clásicos en los centros de datos.
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