كيف تجعل الميمريستورات الذكاء الاصطناعي أكثر تشابهًا بالإنسان

صعود الأجهزة العصبية الشبيهة بالدماغ

مع تحول الذكاء الاصطناعي إلى مركز الصناعة التكنولوجية، ظهرت مشكلة متزايدة: الطلب الهائل على الحوسبة والطاقة لتنفيذ الذكاء الاصطناعي باستخدام وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات.

ونتيجة لذلك، يعمل الباحثون بجد على وحدات المعالجة العصبية (NPUs) ، والمعروفة أيضًا باسم الشرائح العصبية الشبيهة بالدماغ، وهي نوع من أجهزة الذكاء الاصطناعي التي تقلد الخلايا العصبية في الدماغ.

“ليس لأن شرائحنا أو حواسيبنا ليست قوية بما يكفي لما تفعله. ولكنها ليست كفية في استهلاك الطاقة.”

الأستاذ جوشوا يانغ – جامعة جنوب كاليفورنيا

يمكن أن يعيد التوجه نحو الأجهزة الشبيهة بالدماغ تشكيل كيفية 접근نا إلى الذكاء الاصطناعي. تقدم التصاميم العصبية الشبيهة بالدماغ ثلاث مزايا رئيسية على الشرائح التقليدية:

• هيكل قابل للتكيف: دوائر يمكنها إعادة cấuفتها بناءً على بيانات التدريب.
• كفاءة الطاقة الراديكالية: في بعض الحالات، استخدام ما يصل إلى 1/100 من الطاقة التي يستخدمها معالج الرسومات.
• انخفاض إخراج الحرارة: مما يقلل من متطلبات التبريد المكلفة التي تعاني منها مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي اليوم.

(يمكنك قراءة المزيد عن الأجهزة المخصصة للذكاء الاصطناعي، بما في ذلك NPU ، في تقريرنا المخصص حول هذا الموضوع.)

“القدرة على تطوير الشرائح الدقيقة التي تقلد النشاط العصبي الحقيقي تعني أنك لا تحتاج إلى الكثير من الطاقة للوضع في وضع الاستعداد أو عندما لا يتم استخدام الآلة.

هذا شيء يمكن أن يكون له ميزة حسابية واقتصادية هائلة.”

جون لاروكو – عالم أبحاث في الطب النفسي في كلية الطب بجامعة ولاية أوهايو.

يختبر الباحثون عدة طرق واعدة لإنشاء شرائح عصبية شبيهة بالدماغ. يتضمن أحد هذه النهج استخدام الفيروكهربائية الناشئة – ظاهرة لا تزال غير مفهومة جيدًا قد تتيح للمواد التبديل تلقائيًا بين القطبية الكهربائية في ظل الظروف المناسبة. ويركز نهج آخر على القواعد الفعالة المصنوعة من الفاناديوم أو التيتانيوم ، مواد يمكنها تغيير خصائصها الكهربائية بشكل ديناميكي لتقليд الإشارات الشبيهة بالدماغ.

ربما يكون المسار الأكثر مناقشة هو استخدام الميمريستورات – فئة ثورية من المكونات الإلكترونية قادرة على تخزين المعلومات من خلال تغييرات في المقاومة. يمكن لهذه الأجهزة أداء مهام الذكاء الاصطناعي باستخدام ما يصل إلى 1/800 من استهلاك الطاقة العادي ، مما يجعلها واحدة من أكثر الحلول كفاءة في التطوير.

كيف تقليд الميمريستورات الشوابط

اسحب للاطلاع →

الميمريستورات هي مكونات إلكترونية تقلد الشوابط التي تصل بين الخلايا العصبية من خلال تذكر الحالة الكهربائية التي تم تبديلها إليها بعد إيقاف تشغيل الطاقة.

يمكن أن يقلل هذا من الطاقة والزمن المفقودين من نقل البيانات ذهابًا وعودة بين المعالجات والذاكرة.

أحد Points القوية للميمريستورات هو قدرته على التعلم الكفء والذاتي في الموقع، وهو أمر حاسم للتطبيقات في الروبوتات والمركبات المستقلة.

علاوة على ذلك، فإن استهلاك الطاقة المنخفض للميمريستورات مفيد بشكل خاص في الروبوتات والمركبات المستقلة، حيث تكون كفاءة الطاقة أمرًا بالغ الأهمية.

تتم استكشاف العديد من الطرق لإنشاء أفضل الميمريستورات، من الميمريستورات التيتانيوم الأكسيد التقليدية إلى استخدام الخلايا العصبية البشرية الفعلية (العقائد) أو حتى الفطر.

فكرة استخدام المواد العضوية، بما في ذلك الخلايا العصبية الفعلية، لتقليд نشاط الخلايا العصبية لها معنى نظريًا. ومع ذلك، في الممارسة، يمكن أن يكون接ف نظام “حاسوبي” بهذه المواد التقليدية إلى أنظمة تكنولوجيا المعلومات الحالية أمرًا صعبًا.

“نظم الحوسبة الحالية لم تكن مصممة أبدًا لمعالجة كميات هائلة من البيانات أو التعلم من vài أمثلة فقط بمفردها.

إحدى الطرق لتعزيز كفاءة الطاقة وكفاءة التعلم هي بناء أنظمة اصطناعية تعمل وفقًا للمبادئ الملاحظة في الدماغ.”

الأستاذ جوشوا يانغ – جامعة جنوب كاليفورنيا

هذا النقص في الكفاءة مذهل عند مقارنته بالدماغ البشري. يمكن لطفل صغير أن يتعلم التعرف على الأرقام المكتوبة بخط اليد بعد رؤية vài أمثلة فقط من كل منها، في حين أن الحاسوب يحتاج عادة إلى آلاف لتحقيق نفس المهمة.

ويؤدي الدماغ البشري هذه المهمة بينما يستخدم حوالي 20 واط من الطاقة، في حين أن مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي الحديثة تبحث عن مقياس جيجاوات، أو ما يقرب من مائة مليون مرة أكثر من الطاقة.

يمكن أن تكون خيارًا وسطًا جديدًا هو إنشاء شرائح اصطناعية تعمل مثل الخلايا العصبية في المبدأ الأساسي. هذا هو المسار الذي اتخذه الباحثون في جامعة جنوب كاليفورنيا، جامعة كاليفورنيا، جامعة ماساتشوستس، جامعة سيراكيوز، مختبر أبحاث القوات الجوية، ومركز ناسا لأبحاث أميس.

نشروا نتائجهم في Nature Electronics¹ ، تحت عنوان “عصبون اصطناعي متسارع يعتمد على ميمريستور متسرب واحد وترانزستور واحد ومقاوم واحد“.

تكرار كيفية عمل الخلايا العصبية باستخدام الميمريستورات المتسربة

كيف تعمل الخلايا العصبية؟

الطريقة التي تتفاعل بها الخلايا العصبية مع بعضها البعض، و最終 معالجة المعلومات، هي باستخدام الإشارات الكهربائية والكيميائية.

إذا كان الإشارة قوية بما يكفي، فإنه يولد نبضة كهربائية تسمى جهد الفعل من خلال السماح لأيونات الصوديوم الموجبة بالفيض إلى الخلية.

مصدر: الكترونيات الطبيعة

عندما يتم استلام الإشارة الكهربائية، فإنه يسبب إطلاق الناقلات العصبية.

حتى الآن، استخدمت الميمريستورات الإلكترونية ودائرة CMOS الإشارات الكهربائية لمحاكاة هذه الوظيفة، مما يتطلب مئات الترانزستورات لمحاكاة عصبون واحد.

بدلاً من ذلك، طور الباحثون جهازًا يسمى “ميمريستور متسرب”، والذي يستخدم أيضًا التفاعلات الكيميائية الفعلية لبدء العمليات الحاسوبية.

ما هي الميمريستورات المتسربة وكيف تعمل؟

في حين تعتمد الأنظمة السيليكونية التقليدية على الإلكترونات لأداء الحسابات، تستخدم الميمريستورات المتسربة حركة الذرات بدلاً من ذلك. إنها تستخدم أيونات الفضة المضمنة في المواد الأكسيدية لتوليد نبضات كهربائية تقلد الوظائف الطبيعية للدماغ.

مصدر: الكترونيات الطبيعية

بالطبع، هذا لا يكرر بالضبط كيفية عمل عصبون، ولكن المبدأ非常 مشابه.

“على الرغم من أنه ليس بالضبط نفس الأيونات في الشوابط والخلايا العصبية الاصطناعية، إلا أن الفيزياء التي تحكم حركة الأيون وتدفقها ديناميكيًا متشابهة جدًا.”

الأستاذ جوشوا يانغ – جامعة جنوب كاليفورنيا

يأتي هذا التشابه جزئيًا من حقيقة أن أيونات الفضة سهلة الانتشار في نظام الميمريستور هذا، مشابهة لحركة أيونات الصوديوم في الخلايا العضوية.

除了 الفضة، يستخدم الميمريستور أيضًا البالاديوم، السيليكون، التيتانيوم، والهافنيوم. يمكن أن يرصد البحث انتشار الفضة استجابة للتحفيز الكهربي في الوقت الفعلي.
اسحب للاطلاع →

المستقبل: الشرائح العصبية الشبيهة بالدماغ والذكاء الاصطناعي الكفء في استهلاك الطاقة

ميزة هامة من هذا النوع الجديد من الميمريستور هو أنه يتناسب مع مساحة الترانزستور الفردي، في حين أن التصاميم القديمة تتطلب عشرات أو حتى مئات.

استخدم الاختبار الأول فقط حفنة من الميمريستورات المتسربة، وبرهن على أنها يمكن استخدامها لبناء الشبكة العصبية المتعددة المستويات النموذجية المستخدمة من قبل几乎 جميع أنظمة الذكاء الاصطناعي اليوم.

مصدر: الكترونيات الطبيعية

الخطوة التالية ستكون تجميع المزيد من هذه الأنظمة لاختبار مدى كفاءتها في أداء مهام الذكاء الاصطناعي الفعلية.

“نحن نصمم الكتلة البنائية التي أدت في النهاية إلى تقليل حجم الشريحة بمقدار كبير، وتقليل استهلاك الطاقة بمقدار كبير.

لذلك يمكن أن يكون من المستدام أداء الذكاء الاصطناعي في المستقبل، بمستوى من الذكاء مشابه بدون حرق الطاقة التي لا نستطيع دعمها.”

الأستاذ جوشوا يانغ – جامعة جنوب كاليفورنيا

يمكن أن يكون معرفة ما إذا كانت أيونات أخرى يمكن استخدامها مفيدًا أيضًا، حيث أن أيونات الفضة ليست شائعة الاستخدام في تصنيع أشباه الموصلات، مما قد يحد من سرعة تبني هذا التصميم من قبل الصناعة.

أثر آخر للميمريستورات المتسربة هو أنها يمكن أن تساعد على فهم كيفية عمل الأدمغة البيولوجية بشكل أفضل.

في الطويل الأمد، من المرجح أن تكون مفيدة بشكل خاص لما يسمى “حوسبة الحافة”، حيث يتم أداء الحوسبة مباشرة على الموقع، مثل روبوت أو سيارة ذاتية القيادة يتعين عليها اتخاذ قرار دون الاتصال بمركز بيانات الذكاء الاصطناعي.

الاستثمار في مصنعي الشرائح العصبية الشبيهة بالدماغ

إنتل (INTC )

إنتل هو عملاق في قطاع أشباه الموصلات وتطور على مر السنين من مؤسس الصناعة إلى قائد علمي وابتكاري، وخسر المركز الأول في حجم التصنيع لشركات مثل TSMC التايوانية.

إنتل هو قائد في الحوسبة العصبية الشبيهة بالدماغ، بما في ذلك من خلال شريحة Loihi 2.

كما أنشأ مجتمع إنتل البحث العصبي الشبيه بالدماغ ، الذي يتضمن جامعة ولاية بنسلفانيا، التي تشارك في أبحاث أكسيد الفاناديوم، بالإضافة إلى العديد من التصاميم العصبية الشبيهة بالدماغ المحتملة الأخرى، و 75+ مجموعة بحثية أخرى.

إنتل أيضًا نشط جدًا في تقليд الحواس البيولوجية من خلال تكرار الطريقة التي يعمل بها دماغنا (وهو نفسه فرع من الحوسبة العصبية الشبيهة بالدماغ)، وهو ما ناقشناه بشكل أكبر في مقالنا ” شرائح الحواس البيولوجية: هل الذكاء الاصطناعي وأفواه الأنف هي الطائر الكناري التالي في منجم الفحم؟ ”

بشكل عام، يعد البحث من مختبر إنتل في طليعة الابتكار في أشباه الموصلات، بما في ذلك الذكاء الاصطناعي، الحوسبة الكمومية، الحوسبة العصبية الشبيهة بالدماغ، وغيرها (ناقشنا التطورات التي أحرزها إنتل في الحوسبة الكمومية في مقالنا “حالة الحوسبة الكمومية الحالية“).

يمكنك أيضًا قراءة المزيد عن أعمال إنتل الحالية وبرامج البحث والتطوير في تقرير استثمارنا المخصص.

أحدث أخبار وأحداث أسهم إنتل (INTC)

الدراسة المذكورة

^{1. Zhao, R., Wang, T., Moon, T. et al. عصبون اصطناعي متسارع يعتمد على ميمريستور متسرب واحد وترانزستور واحد ومقاوم واحد. Nature Electronics (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01488-x}