No final do ano,
apareceu em Habré
um artigo que a IBM conseguiu criar o primeiro chip de 8 bits baseado na memória com memória de mudança de fase (PCM).
Hoje, mostraremos como o dispositivo representado pela gigante de TI funciona.
/ foto IBM Research CC BY-NDQual é o objetivo de desenvolver um chip?
Os sistemas modernos de aprendizado de máquina operam principalmente com base em processadores gráficos (GPUs). Eles exigem resfriamento ativo, pois a GPU
pode aquecer até duas vezes mais rápido que as unidades de processamento central (CPUs). Isso se traduz em grandes contas de eletricidade para data centers nos quais esses clusters de computação estão localizados.
A questão da redução do consumo de energia é importante para os data centers (DPC). Segundo
analistas , até 2025, os data centers consumirão 20% de toda a eletricidade gerada. Para reduzir os custos do data center, novas tecnologias para aprendizado de máquina (MO) estão sendo desenvolvidas. Isso inclui a memória analógica de mudança de fase (PCM) de 8 bits da IBM. Segundo os desenvolvedores, os novos chips serão cem vezes mais produtivos que as GPUs clássicas e exigirão 280 vezes menos energia.
As vantagens da memória PCM são explicadas pelo fato de o processamento e o armazenamento de dados
ocorrerem em um dispositivo. Nos sistemas tradicionais, esses processos são separados - os dados precisam ser transferidos de dispositivo para dispositivo e, por causa disso, a velocidade dos cálculos e sua eficiência energética são reduzidas.
O chip funciona com números de ponto flutuante de 8 bits. Normalmente, o aprendizado de máquina usa números com maior precisão, no entanto, segundo os pesquisadores da IBM, isso é suficiente para as tarefas diárias.
Os criadores da tecnologia
conseguiram aplicá-la na tradução de textos e no reconhecimento de fala e imagens. Jeff Welser, vice-presidente de pesquisa da IBM,
comparou a operação de uma rede neural em um chip com uma pessoa que vê uma figura embaçada em uma janela embaçada, mas ainda reconhece seu parente ou amigo neste local.
A IBM já mostrou os primeiros resultados da memória PCM com tecnologias de aprendizado de máquina. Uma rede neural simples de camada única foi lançada no chip, que reconheceu os números escritos à mão 1, 0 e 4. O algoritmo distinguia imagens com 100% de precisão.
Como funciona a memória analógica da IBM
O chip é feito de uma liga de germânio, telúrio e antimônio, colocada entre dois eletrodos. Quando uma corrente é passada através do material, ela muda seu estado de cristalino para amorfo. Esses estados significam zero ou um.
Devido ao fato de que a fase não muda em todo o volume da liga, mas apenas em sua parte, os valores intermediários entre 0 e 1. podem ser armazenados na célula.Quando gravados na memória, os números não são "arredondados" e isso ajuda a obter maior precisão dos algoritmos que funcionam no chip.
Acredita-se que esse método de armazenamento de dados transmita com mais precisão o comportamento dos neurônios no cérebro humano.
Ao ler dados, uma pequena corrente é passada através da célula e a resistência é medida. No estado amorfo, a resistência da liga acaba sendo maior do que no cristalino - esse parâmetro determina o número armazenado na célula.
Embora a tensão de leitura seja menor do que a necessária para alterar o estado de fase do material, ela leva a uma ligeira troca de partículas e corrupção de dados. Portanto, a IBM melhorou a memória do PCM e adicionou uma camada adicional de nitreto de titânio ao dispositivo, que "
envolve " a liga - era chamada de refletor.
/ Koelmans, WW et al. Dispositivos de memória de mudança de fase projetados / CC BYAo gravar dados, o refletor não afeta a passagem de corrente através da liga, uma vez que a resistência ao nitreto de titânio, neste caso, é maior que a resistência do material da célula. Ao ler os dados, a resistência do material da célula se torna maior que a do refletor e, portanto, a corrente passa pela camada externa, ignorando a liga. A IBM chamou esse tipo de memória de Proj-PCM, ou PCM projetado - “PCM com refletor”.
Perspectivas tecnológicas
Na indústria de TI, o novo chip reagiu positivamente. Segundo
o editor científico da Ars Technica, o dispositivo tem um grande potencial - com o desenvolvimento da tecnologia e uma redução no tamanho da célula de memória, a IBM pode aumentar a produtividade do dispositivo em pelo menos cem vezes. No entanto, o gigante de TI ainda precisa resolver várias dificuldades.
O primeiro é a produção em massa de memória PCM. De acordo
com o analista de mercado de processadores Linley Gwennap, as características do chip, como tensão operacional e resistência do circuito eletrônico, variam de dispositivo para dispositivo. Gwennap acredita que a IBM ainda não desenvolveu um processo de fabricação adequado, para que o chip analógico não se torne um produto comercial em breve.
Outra dificuldade é a
resistência às mudanças de temperatura. Agora, sob a influência do calor ou do frio, a liga muda de fase. Portanto, os criadores do dispositivo precisam criar uma maneira de proteger o chip contra flutuações de temperatura. Provavelmente, a solução será reduzir o tamanho do dispositivo - estudos
mostram que o material é menos suscetível à temperatura com uma espessura de camada de vários nanômetros.
/ foto IBM Research CC BY-NDQuem mais está desenvolvendo chips para o MO
Uma tecnologia semelhante está sendo desenvolvida pela startup Mythic. No coração do dispositivo da empresa está uma memória flash de vários níveis (célula de vários níveis ou MLC). Uma célula de chip
pode armazenar não dois ou quatro níveis de carga, como nos dispositivos de memória flash mais comuns, mas 256. Isso aumenta muito sua capacidade. Espera-se que essa memória seja
usada para implementar algoritmos de aprendizado de máquina na Internet de dispositivos: smartphones, drones, alto-falantes inteligentes e
aparelhos auditivos .
Outro chip semelhante é
criado pela Syntiant. Os cálculos no dispositivo também são realizados na memória MLC. A principal vantagem da tecnologia é baixo consumo de energia. Representantes da empresa afirmam que seu dispositivo consome 50 vezes menos eletricidade que os processadores digitais. O Syntiant também será usado em gadgets alimentados por bateria: smartphones, dispositivos vestíveis, sensores e câmeras de vigilância. A startup já está
trabalhando na primeira implementação comercial da tecnologia - um microfone "inteligente".
Em geral, os chips PCM analógicos ainda não foram projetados para computação de alta precisão. Portanto, eles são usados em combinação com processadores centrais e gráficos. A IBM acredita que a arquitetura híbrida pode encontrar um equilíbrio entre desempenho e precisão. Porém, no futuro, espera-se que a memória analógica
possa substituir os chips clássicos nos data centers.
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