Biomedicina

TR10: Chips neuromórficos

Microprocesadores configurados más como cerebros podrían hacer que los ordenadores fueran mucho más astutos sobre lo que ocurre a su alrededor

  • Lunes, 28 de abril de 2014
  • Por Robert D. Hof
  • Traducido por Francisco Reyes

Avance

Un diseño alternativo para chips de ordenador que mejorará la inteligencia artificial.

¿Por qué es importante?

Los chips tradicionales están llegando a los límites fundamentales de rendimiento.

Organizaciones clave

  • Qualcomm
  • IBM
  • HRL Laboratories
  • Proyecto del Cerebro Humano

Un robot del tamaño de un perro pug llamado Pioneer rueda lentamente hasta una figura del Capitán América en la alfombra. Están frente a frente en un modelo de habitación infantil que el fabricante de chips inalámbricos Qualcomm ha recreado en un remolque. El robot hace una pausa, como si estuviera evaluando la situación, y después agarra la figura con una extensión parecida a un barredor de nieve, se da la vuelta, y lo empuja hacia tres pilares que representan contenedores de juguetes. El ingeniero sénior de Qualcomm Ilwoo Chang mueve ambos brazos hacia el pilar en el que el juguete debe ser depositado. Pioneer ve el gesto con su cámara y cumple la orden obedientemente. Luego va hacia atrás y ve otra figura de acción, Spider-Man. Esta vez Pioneer va en línea recta hacia el juguete, ignorando un tablero de ajedrez cercano, y lo lleva al mismo pilar sin ayuda humana.

Esta demostración en la sede de Qualcomm en San Diego (EEUU) parece poca cosa, pero representa una mirada al futuro de la informática. El robot está realizando tareas que normalmente requieren el uso de potentes ordenadores, especialmente programados y con más consumo eléctrico. Pioneer sólo usa un chip inteligente con software especializado, y puede reconocer objetos que no ha visto antes, clasificarlos por su similitud con objetos relacionados y navegar por la habitación para llevarlos al lugar adecuado. Todo esto lo consigue no a través de una programación compleja, sino simplemente porque alguien le ha mostrado una vez dónde deben ir. El robot lo hace porque está simulando, aunque de forma muy limitada, el modo en que funciona el cerebro.

A finales de este año, Qualcomm comenzará a revelar cómo integrar la tecnología en los chips de silicio que se usan para toda clase de dispositivos electrónicos. Estos chips "neuromórficos", llamados así porque se inspiran en cerebros biológicos, serán diseñados para procesar datos sensoriales como imágenes y sonido, y para responder a los cambios en dichos datos de un modo no programado específicamente. Podrían acelerar décadas de progreso intermitente en el campo de la inteligencia artificial y dar lugar a máquinas que sean capaces de entender e interactuar con el mundo de formas similares a las humanas.

Los sensores y dispositivos médicos podrían realizar un seguimiento de los signos vitales y la respuesta a los tratamientos a través del tiempo, aprender a ajustar las dosis o incluso detectar los problemas de forma temprana. El teléfono inteligente podría aprender a anticipar qué es lo próximo que quieres, como por ejemplo información sobre alguien con quien estás a punto de quedar, o una alerta de que es hora de ir a tu próxima reunión. Puede que los coches con autoconducción con los que está experimentando Google no necesiten tu ayuda en absoluto, y que los robots de limpieza Roomba no se queden atrapados debajo del sofá. "Estamos borrando el límite entre los sistemas biológicos y los de silicio", afirma el director de tecnología de Qualcomm, Matthew Grob.

Los chips de Qualcomm no estarán disponibles hasta el próximo año como muy pronto, y la compañía dedicará este año 2014 a reclutar a investigadores para probar la tecnología. Pero si el proyecto, conocido como programa Zeroth, logra tener éxito sería la primera plataforma comercial a gran escala para la informática neuromórfica. Todo esto se suma a otras prometedoras iniciativas en varias universidades y laboratorios de empresa, como IBM Research y HRL Laboratories, que cada una por su cuenta han desarrollado chips neuromórficos bajo un proyecto de 100 millones de dólares (72 millones de euros) para la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EEUU. Del mismo modo, el Proyecto del Cerebro Humano en Europa está invirtiendo casi 100 millones de euros en proyectos neuromórficos, entre ellos los de la Universidad de Heidelberg (Alemania) y la Universidad de Manchester (Reino Unido). Otro grupo en Alemania informó recientemente sobre el uso de un chip neuromórfico y software modelado en base a los sistemas de procesamiento de olores de los insectos para reconocer las especies de plantas por sus flores.

Hoy día los ordenadores usan la llamada arquitectura von Neumann, que transporta los datos entre el procesador central y los chips de memoria en secuencias lineales de cálculos. Ese método es ideal para trabajar con números y ejecutar programas escritos de forma precisa, pero no para procesar imágenes o sonido y darles sentido. Buen ejemplo de ello es que en 2012, cuando Google hizo una demostración de un software de inteligencia artificial que aprendió a reconocer gatos en vídeos sin que se le dijera lo que era un gato, necesitó 16.000 procesadores para llevarlo a cabo.

Seguir mejorando el rendimiento de estos procesadores requiere que sus fabricantes incluyan más transistores cada vez más rápidos, cachés de memoria de silicio y vías de datos, pero el enorme calor generado por todos estos componentes limita la velocidad de funcionamiento de los chips, especialmente en dispositivos móviles con gran consumo energético. Eso podría detener el progreso hacia la creación de dispositivos que procesen eficazmente imágenes, sonido y otra información sensorial y luego apliquen la información a tareas como el reconocimiento de rostros y la navegación de robots o vehículos.

Nadie tiene más interés en superar estos retos físicos que Qualcomm, el fabricante de los chips inalámbricos utilizados en muchos teléfonos y tabletas. Los usuarios de dispositivos móviles cada vez exigen más de sus dispositivos. Pero los servicios de asistente personal actuales, como Siri de Apple y Google Now, están limitados ya que deben recurrir a la nube para que otros ordenadores más potentes respondan o anticipen las consultas. "Estamos teniendo dificultades", señala el vicepresidente de tecnología de Qualcomm, Jeff Gehlhaar, que dirige el equipo de ingeniería de Zeroth.

Los chips neuromórficos intentan replicar en silicio el modo en que el cerebro procesa la información, es decir, en paralelo y de forma masiva, a medida que miles de millones de neuronas y trillones de sinapsis responden a estímulos sensoriales, como imágenes o sonido. Estas neuronas también cambian la forma en que se conectan entre sí en respuesta a los cambios en las imágenes, sonidos, etc. A ese proceso lo llamamos aprendizaje. Los chips hacen lo mismo, e incorporan modelos inspirados en el cerebro llamados redes neuronales. Por eso el robot de Qualcomm, a pesar de que por ahora sólo ejecuta un software que simula un chip neuromórfico, puede colocar a Spider-Man en la misma ubicación que el Capitán América sin haber visto a Spider-Man antes.

Qualcomm podría agregar una "unidad de procesamiento neural" a los chips de teléfonos móviles para manejar los datos sensoriales y tareas como el reconocimiento de imágenes.

Aunque los chips neuromórficos están muy lejos de tener la misma capacidad que el cerebro, deberían ser mucho más rápidos que los ordenadores actuales a la hora de tratar datos sensoriales y aprender de ellos. Intentar emular el cerebro sólo mediante el uso de software especial en procesadores convencionales, al igual que hizo Google con su experimento con gatos, es demasiado ineficiente como para ser la base de máquinas con aún más inteligencia, señala el pensador líder en IA, Jeff Hawkins, que creó el Palm Pilot antes de cofundar Numenta, un fabricante de software inspirado en el cerebro. "No hay manera de construirla [sólo] con software", asegura al referirse a un tipo de IA efectiva. "Hay que construirla sobre silicio".

Canal neuronal

A medida que los teléfonos inteligentes han ido despegando, también lo ha hecho Qualcomm, cuya capitalización de mercado supera actualmente a la de Intel. Esto se debe en parte a los cientos de patentes de comunicación inalámbrica que Qualcomm tiene expuestos en dos niveles de un lobby tipo atrio de siete pisos, en su sede en San Diego. Ahora quiere volver a abrir camino. En primer lugar en cooperación con Brain Corp., una start-up de neurociecia en la que ha invertido y que aloja en su sede, y más recientemente con su propio personal, que crece por momentos y que ha estado trabajando discretamente durante los últimos cinco años en algoritmos para imitar las funciones del cerebro, así como en hardware para ejecutarlos. El proyecto Zeroth se ha centrado inicialmente en aplicaciones de robótica porque el modo en que los robots interactúan con el mundo real ofrece más detalles sobre cómo aprende lecciones el cerebro, que luego se pueden aplicar en teléfonos inteligentes y otros productos. El nombre del proyecto proviene de la "Ley Zeroth" de Isaac Asimov sobre robótica: "Un robot no debe hacer daño a la humanidad o, por falta de acción, permitir que la humanidad sufra daño".

La idea de los chips neuromórficos comenzó hace décadas. El profesor emérito de Caltech y leyenda en el diseño de circuitos integrados, Carver Mead, acuñó el término en un artículo de 1990 en el que describía cómo los chips analógicos, aquellos que varían sus resultados de salida al igual que ocurre con los fenómenos del mundo real, en contraste con la naturaleza binaria de encendido y apagado de los chips digitales, podían imitar la actividad eléctrica de las neuronas y sinapsis en el cerebro. Pero tuvo dificultades para construir de forma fiable sus diseños de chips analógicos. Podría decirse que sólo han logrado venderse cientos de millones de unidades de un único procesador neuromórfico, un chip de supresión de ruido de Audience. El chip, basado en la cóclea humana, se ha utilizado en los teléfonos de Apple, Samsung y otros fabricantes.


Como empresa comercial, Qualcomm ha dado prioridad al pragmatismo por encima del rendimiento en su diseño. Eso significa que los chips neuromórficos que está desarrollando siguen siendo chips digitales, más predecibles y fáciles de fabricar que los analógicos. Y en lugar de diseñar los chips para que se acerquen lo más posible a la biología del cerebro real, el proyecto de Qualcomm emula aspectos del comportamiento del cerebro. Por ejemplo, los chips codifican y transmiten datos de una manera que imita los picos de tensión generados en el cerebro a medida que responde a la información sensorial. "Incluso con esta representación digital, podemos reproducir una amplia gama de los comportamientos que observamos en la biología", asegura el ingeniero del proyecto de Zeroth, M. Anthony Lewis.

Los chips encajarían perfectamente en el negocio existente de Qualcomm, que domina el mercado de los chips para teléfonos móviles, pero cuyo crecimiento de ingresos ha sido lento. Sus chips Snapdragon para telefonía móvil incluyen componentes como unidades de procesamiento de gráficos. Qualcomm podría agregar una "unidad de procesamiento neural" a los chips para manejar datos sensoriales y tareas como el reconocimiento de imágenes y la navegación de robots. Y puesto que Qualcomm tiene un negocio altamente rentable de concesión de licencias de tecnología a otras empresas, estaría en condiciones de vender los derechos de uso de los algoritmos que se ejecuten en los chips neuromórficos. Esto podría conducir a chips sensoriales de visión, para el control de movimiento y otras aplicaciones.

Compañeros cognitivos

Matthew Grob primero se sobresaltó, y luego se molestó, cuando escuchó el tema de la serie americana Sanford and Son en mitad de una reunión hace poco. Resulta que en un reciente viaje a España había configurado el smartphone para emitir un recordatorio usando la melodía como alarma, y ​​el teléfono pensó que era hora de volver hacerla sonar. Este es sólo un pequeño ejemplo de lo lejos que están nuestros dispositivos personales de ser inteligentes. Grob sueña con un futuro en el que en vez de tener que ajustar el teléfono cuando hace algo mal, como hizo ese día, todo lo que tenga que hacer es ladrarle y decir: "¡No hagas eso!". Entonces el teléfono podría aprender que debe apagar la alarma cuando está en una nueva zona horaria.

Qualcomm está especialmente interesada en la posibilidad de que los chips neuromórficos puedan transformar los teléfonos inteligentes y otros dispositivos móviles en compañeros cognitivos que presten atención a nuestras acciones y alrededores y aprendan nuestros hábitos con el tiempo. "Si tú y tu dispositivo podéis percibir el entorno de la misma manera, el dispositivo estará en mejores condiciones para comprender tus intenciones y anticiparse a tus necesidades", asegura el director de desarrollo de negocios en el laboratorio de investigación de Qualcomm, Samir Kumar.

Al pedirle ejemplos, Kumar entona una letanía: Si etiquetas a tu perro en una foto, la cámara del teléfono reconocería a la mascota en cada foto posterior. En un partido de fútbol, podrías decirle al teléfono que tome una foto sólo cuando el niño esté cerca de la portería. A la hora de dormir, sabría sin que se lo tengas que decir que tiene que redirigir las llamadas al correo de voz. En resumen, según Grob, el smartphone podría tener un sexto sentido digital.

Los ejecutivos de Qualcomm son reacios a embarcarse en demasiadas fantasías antes de que el chip esté disponible. Pero a los investigadores neuromórficos en otros lugares no les importa especular. Según el investigador superior de IBM, Dharmendra Modha, con sede en San José (EEUU), estos chips podrían conducir a gafas para ciegos que utilicen sensores visuales y auditivos para reconocer objetos y proporcionar señales de audio, a sistemas de atención sanitaria que vigilen los signos vitales, emitan alertas tempranas sobre posibles problemas y sugieran formas de individualizar los tratamientos, así como a ordenadores que usen los patrones de viento, mareas y otros indicadores para predecir tsunamis con mayor precisión. En HRL este verano, el director científico de investigación Narayan Srinivasa planea probar un chip neuromórfico en un dispositivo de AeroVironment del tamaño de un ave, que volará sobre un par de habitaciones. Tomará datos de cámaras y otros sensores para poder recordar en qué habitación está y aprender a navegar en el espacio más hábilmente, lo que podría conducir a drones más capaces.

A los programadores les llevará tiempo averiguar la mejor forma de aprovechar el hardware. "No es demasiado pronto para que las compañías de hardware empiecen a realizar investigaciones", señala el cofundador de la start-up de inteligencia artificial Vicarious, Dileep George. "Los productos comerciales podrían llevar algún tiempo". Los ejecutivos de Qualcomm están de acuerdo. Aunque creen que la tecnología que esperan lanzar este año haga que esos productos se acerquen mucho más a la realidad.

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