Dal computer tradizionale al computer neurale

Il computer analogico
imita il cervello umano

Il neuromorfismo è il nuovo paradigma di elaborazione che tenta di ricreare la funzionalità del cervello utilizzando componenti di natura analogica. I neuroni biologici memorizzano e manifestano le informazioni attraverso livelli di tensione elettrica. I neurono artificiali usano i condensatori per imitare questa capacità dei neuroni naturali, in quanto i condensatori sono delle memorie analogiche e attraverso la carica e la scarica sono in grado di gestire questa memoria da e verso altri dispositivi, così come fanno i neuroni artificiali. Il computer analogico è dunque un modello computazionale molto più adatto realizzare il cervello umano e le sue eccezionali capacità di elaborazione delle informazioni. Il limite dei computer analogici, basati su elementi di memoria come il condensatore, è che questi necessitano di essere costantemente alimentati per conservare l'informazione. A questo limite è stata trovata una soluzione che consente di memorizzare le informazioni analogiche in componenti che non richiedono di essere costantemente alimentati per trattenere l'informazione. Si tratta del memristore, un componente passivo, che si aggiunge ai tre noti componenti passivi (resistenza, condensatore e induttore) che mantiene memoria di uno stato fisico in cui è stato condotto e di manifestarlo mediante segnali analogici. Memristor è una parola derivata dalla contrazione di “memory” e “resistor”. Si tratta di una vera e propria innovazione tecnologica che oltre a consentire la realizzazione di computer energeticamente efficenti, consentirà anche di realizzare computer che imitano il funzionamento del cervello umano, in quanto questo componente elettronico ha proprietà funzionali molto affini a quelle degli elementi biologici del cervello umano.
Dopo la versione sperimentale presentata nel 2007 da Stanley Williams di Hewlett Packard, la stessa HP nel 2008 ha annunciato la disponibilità di un dispositivo funzionante. Utilizzando le tecniche delle nanotecnologie, è stato realizzato un componente che si comporta come un condensatore, ma che non immagazzina cariche elettriche e crea la dipendenza tra la resistenza e la carica tramite una trasformazione chimica, proprio come fa un neurone. Oltre all'ovvia possibilità di realizzare memorie ad altissima densità di memorizzazione (la memoria analogica in un solo elemento può codificare un'informazione il cui valore può assumere infiniti valori), il memristore diventerà l'elemento fondamentale per la costruzione delle reti neurali artificiali, anche in virtù dell'elevatissima densità geometrica ottenibilie grazie alla scala nanoelettronica su cui si basano. Il dispositivo di HP consiste di un film sottile di diossido di titanio frapposto tra due elettrodi. Nel 2010 HP ha annunciato di aver raggiunto un accordo con l'azienda coreana Hynix per la produzione industriale di memorie basate sui memristori.

Dal computer programmabile
al computer cognitivo
Il computer così come lo conosciamo oggi è semplicemente una macchina capace di eseguire calcoli ad elevatissima velocità, di memorizzare e di spostare enormi quantità di dati e di esegure tutto quello che una persona è in grado di codificargli in termini di linguaggio di programmazione. Non è una macchina intelligente, è semplicemente un esecutore sequenziale di istruzioni elementari. Il cervello umano non esegue calcoli per riconoscere una persona, come invece fa un computer tradizionale che esegue algoritmi matematici molto complessi, ma semplicemente impara a riconoscere e ricorda. Anche se sembra non esserci differenza (in entrambi i casi si impara a riconoscere e si ricorda), la differenza è nel come il riconoscere e il ricordare vengono eseguiti dal computer rispetto al cervello. Per esempio, se per stabilire che l'immagine analizzata è un volto deve esserci la presenza di due occhi, un volto con un solo occhio (Polifemo) per il computer non è un volto, ma il cervello, che pure ha imparato che i volti umani hanno due occhi, classifica compunque il volto con un occhio come tale, quindi appartenente a un essere umano(ide).
Il cervello non esegue istruzioni e algoritmi e non ci sono programmi che gli dicono cosa fare per riconoscere un volto. Il cervello è un sistema che impara tramite l'eperienza, che memorizza in modo distribuito e non concentrato le informazioni e che “calcola” ricordando. Il cognitive computing è il paradigma computazionale che si ispira al modo di funzionare del cervello umano perchè il computer diventi una macchina realmente intelligente e caratterizzata anche da un funzionamento compatibile con il mondo fisico con cui deve interagire. Il computer cognitivo non deve essere solo un sistema “intelligente”, ma deve anche consumare poca energia (il cervello consuma come una piccola lampadina) e deve essere piccolo (il cervello ha più o meno il volume di un medio dizionario). Ibm ha in corso un programma di ricerca denominato SyNapse (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics) finalizzato alla realizzazione di un computer cognitivo che intende riprodurre la struttura e l'architettura del cervello (il modo con cui i neuroni ricevono gli input sensoriali, si interconnettono tra loro, si adattano alle connessioni e attuano verso l'esterno il risultato). Il programma SyNapse è iniziato nel 2008 e nel 2013 si trova già in una fase di risultati più che soddisfacenti, come illustrato da Ibm alla International Joint Confererence on Neural Networks tenutasi lo scorso agosto a Dallas. Il singolo chip neurale integra una rete di 256 neuroni, ma questi possono essere messi in rete tra loro fino a formare, potenzialmente, una quantità di interconnessioni sinaptiche paragonabili a quelle del cervello umano.