Un microchip con la capacidad cerebral de una lombriz quizá no parezca demasiado impresionante comparado con los chips velocísimos de los ordenadores personales modernos. Pero un nuevo microchip creado por los investigadores de IBM representa un hito. Al contrario que los chips corrientes, imita el funcionamiento de un cerebro biológico, un logro que podría abrir nuevas posibilidades para la computación.

Dentro del cerebro, la información se procesa en paralelo y la computación y la memoria están entrelazados. Cada neurona está conectada con muchas otras y la fuerza de estas conexiones cambia constantemente según va aprendiendo el cerebro. Se cree que estas dinámicas son cruciales para el aprendizaje y la memoria y es lo que los investigadores buscaban imitar en silicio. Los chips convencionales, por el contrario, procesan un bit detrás de otro y no distinguen entre la información de un procesador diferenciado y los componentes de memoria. Cuanto mayor es un problema, mayor es la cantidad de bits que hay que trasegar.

Los investigadores de IBM han creado y testado dos chips de prueba que almacenan y procesan información imitando a un sistema nervioso. La empresa explica que estos primeros chips podrían ser la base para algo mucho más ambicioso: un ordenador del tamaño de una caja de zapatos que tendría aproximadamente la mitad de la complejidad del cerebro humano y consumiría solo un kilovatio de potencia. Este proyecto se está desarrollando gracias a 21 millones de dólares de financiación de la Agencia Proyectos Avanzados de Investigación de Defensa, en colaboración con varias universidades.

Los investigadores de la empresa y sus colaboradores académicos presentarán dos ponencias el mes que viene en la conferencia the Custom Integrated Circuits en San José, California (Estados Unidos) que demuestran que los diseños de los chips requieren muy poca energía y funcionan con software que imita los circuitos neuronales. En un experimento, un “núcleo neuronal”, como se denominan los nuevos chips, aprende a jugar al Pong; en otro aprende a conducir un coche en un circuito de carreras sencillo y en otro más aprende a reconocer imágenes. 

Los ordenadores convencionales son ya muy potentes, pero requieren inmensas cantidades de capacidad y energía para imitar tareas que los humanos hacen sin pensar siquiera. El famoso sistema de computación de IBM Watson, por ejemplo, venció a dos de los mejores jugadores humanos del concurso televisivo de Estados Unidos Jeopardy! en febrero de este año, pero necesitó 16 terabytes de memoria un un cluster de potentísimos servidores para poder hacerlo.

“El cerebro ha resuelto estos problemas con brillantez con solo 10 vatios de potencia”, afirma Kwabena Boahen, un profesor de bioingeniería en la Universidad de Stanford (Estados Unidos) que no tiene relación con el proyeto de IBM. “Una máquina con nuestra inteligencia sería capaz de leer y hacer conexiones, recibir información y darle sentido, en vez de simplemente emparejar cosas”.

Sin emabrgo, cómo diseñar un “ordenador cognitivo” de este tipo y cómo debe operar es un asunto controvertido.

Después de todo, los biólogos aún no entienden cómo funciona el cerebro.

IBM ha ofrecido pocos detalles sobre el funcionamiento y rendimiento de sus nuevos chips. Pero el director del proyecto, Dharmendra Modha, dice que los chips van más allá de trabajos anteriores en este campo al imitar dos aspectos del cerebro: la proximidad de las partes responsables de memoria y computación (que imita el hardware) y el hecho de que las conexiones entre estas partes pueden hacerse y deshacerse y pueden hacerse más fuertes o más débiles a lo largo del tiempo (esto lo logra el software).

Los nuevos chips contienen transistores digitales de 45 nanómentros construidos directamente encima de una matriz de memoria. “Es como tener el almacenaje de datos junto a cada puerta lógica dentro del procesador”, sostiene el ingeniero de telecomunicaciones de la Universidad de Cornell (Estados Unidos) Rajit Manohar, que colabora con IBM en el diseño del hardware. Éste es un hecho importantísimo que implica que los chips consumen 45 picojulios por “evento”, imitando la transmisión de un pulso en una red neuronal. Eso es una potencia unas mil veces menor que la que consume un ordenador covencional, explica Gert Cauwenberghs, director del Instituto para Computación Neuronal de la Universidad de California, San Diego (Estados Unidos).

Por ahora el equipo de IBM ha probado estos chips con un software muy básico, pero han sentado la base para poder ejecutar software más complejo. En 2009 el grupo de Modha hizo simulaciones en un supercomputador demostrando cómo funcionaría una red neuronal con la complejidad del cerebro de un gato con un hardware así. “Dieron los primeros pasos con simulaciones brutales”, afirma Michael Arbib, director del Proyecto Cerebro de la Universidad del Sur de California (Estados Unidos). “Ahora han inventado chips que quizá faciliten el uso de software de computación cognitivo, pero aún no lo han demostrado”.

El grupo de Modha comenzó con un modelo de sistema con la complejidad del cerebro de un ratón, luego pasaron a una rata, un gato y finalmente un mono. En cada avance tuvieron que pasarse a un superordenador más potente. Y fueron incapaces de hacer las simulaciones en tiempo real por la separación entre memoria y procesador que el diseño de los nuevos chips pretende superar. El nuevo hardware debería ayudar a este software a ir mucho más rápido. “Nuestro objetivo final es un sistema de computación cognitivo a escala humana” afrma Modha.