TR10: Chips neuromórficos
Microprocesadores configurados más como cerebros
podrían hacer que los ordenadores fueran mucho más astutos sobre lo que
ocurre a su alrededor
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.
