martes, junio 15, 2021

La Inteligencia Artificial comienza a diseñar chips para hacer Inteligencia Artificial

Hace unos días os hablé sobre cómo la Inteligencia Artificial combinada con los robots de combate estaba suponiendo un gran avance en la tecnología armamentística y de cómo esta aplicación de la Inteligencia Artificial había generado una gran polémica tras la primera muerte humana causada por un dron autónomo el cual no había recibido ordenes de acabar con el objetivo. En ambos artículos estos avances en IA hacen que no parezca tan lejana la posibilidad de un futuro distópico controlado por máquinas como en la película de Matrix o Terminator

Figura 1: La Inteligencia Artificial comienza a diseñar chips para hacer Inteligencia Artificial

Hoy toca hablar de otro de los avances mas recientes en la Inteligencia Artificial, que ha generado bastante expectación, y que puede favorecer al desarrollo propio de la Inteligencia Artificial en infinidad de campos (cómo el de la industria armamentística y la robótica), pero también otros como el de la ciberseguridad, la salud o la economía. Hoy el tema es de Inteligencia Artificial y diseño de microchips.

Figura 2: Libro de Machine Learning aplicado a Ciberseguridad de
Carmen Torrano, Fran Ramírez, Paloma Recuero, José Torres y Santiago Hernández

Desde hace unos años no nos resultan extraños algunos términos cómo “circuito impreso” o “microchip” cuando tenemos una conversación, sin embargo, estos no son términos tan antiguos como la mayoría de gente piensa.

Una Microhistoria sobre los MicroChips

Siguiendo la estructura de las "Microhistorias" de nuestros compañeros Fran Ramírez y Rafael Troncoso, vamos a comenzar por el principio. La primera vez que se habló de microchip fue durante los años 50, cuando la empresa alemana Siemens y uno de sus ingenieros, Werner Jacobi, solicitaron registrar la patente de circuitos integrados con dispositivos amplificadores de semiconductores, la cual no tuvo éxito. Unos años después en 1958, Jack S. Kilby, que apenas llevaba unas semanas trabajando para Texas Instruments logró registrar la primera patente de un microchip describiendo esta tecnología como un cuerpo formado por material semiconductor en el que todos los componentes de su circuito están completamente integrados.

Figura 3: Primer microchip funcional desarrollado por Jack S. Kilby.

Para poder registrar la patente Kilby construyó un oscilador de rotación de fase compuesto por germanio que integraba 6 transistores en una base semiconductora. Tras el éxito en la obtención de la patente Texas Instruments comenzó a vender la tecnología de Kilby a las fuerzas aéreas de Estados Unidos.  La patente de Kilby provocó que varias compañías y científicos comenzasen a explorar este tipo de tecnologías.

Figura 4: Libro de "Microhistorias: anécdotas y curiosiades de la historia
de la informática (y los hackers)" de Fran Ramírez y Rafel Troncoso 0xWord.

De hecho, apenas seis meses después de la aparición de la patente Robert Noyce, cofundador de Intel también patento su propio circuito integrado siendo este una versión mejorada del microchip de Kilby, más simple, rápido y fácil de producir en masa. Unos años después con el avance de los circuitos integrados y sus aplicaciones en las nuevas tecnologías (como los teléfonos u ordenadores) Kilby recibió el Premio Nobel de Física por su contribución al desarrollo tecnológico.

Figura 5: Robert Noyce, cofundador de Intel sosteniendo el diseño de su microchip.

Ahora que ya conocéis un poco más la historia de los microchips y cómo aparecieron es hora de hablaros de Inteligencia Artificial y de cómo es posible utilizarla para desarrollar nuevos microchips cada vez mas eficientes. 

La IA de Google que crea chips para hacer mejor IA

Hace apenas unos días un equipo de ingeniería de Google anunció que habían desarrollado una Inteligencia Artificial capaz de diseñar chips tan eficientes (o incluso más) como los diseñados por ingenieros humanos. Hace un año ya se había hablado de este proyecto, pero todavía se encontraba en una fase muy prematura.

Según las ingenieras a cargo del proyecto, esta Inteligencia Artificial ha sido entrenada utilizando el método de Aprendizaje por Refuerzo (AR). Esto quiere decir que la IA se basa en experiencias pasadas para optimizar el diseño de microchips. A medida que se van haciendo nuevas pruebas la Inteligencia Artificial estudia los distintos parámetros cómo la dimensión de la plantilla, el consumo energético o la congestión de enrutamiento con el fin aumentar la velocidad de producción y optimizar el funcionamiento y consumo de los nuevos diseños.

Figura 6: Aprendizaje por Refuerzo aplicado a un problema básico.

A la hora de diseñar un chip los expertos humanos utilizan una técnica conocida como floorplanning, esta técnica consiste en hacer un planteamiento del circuito a replicar en el microchip buscando la distribución mas óptima de sus componentes sobre una plantilla sin que haya interferencias entre los mismos. Esta tarea puede resultar un tanto laboriosa por lo que muchos de los microchips producidos por los humanos suelen ser variaciones de plantillas diseñadas anteriormente. Con este nuevo método de diseño a través de la IA, Google busca romper con el uso de estas plantillas y conseguir diseños similares en tiempo récord. Al fin y al cabo, cuando los ingenieros han desarrollado un plano base que funciona con cierta eficacia no lo cambian para reducir los costes y tiempos de investigación.

Aunque esta tecnología es prometedora todavía esta en fases de prueba, ya que no es lo mismo el diseño de un microchip con una función muy específica que el diseño de un procesador, por ejemplo. Aunque sea temprano para hablar de procesadores como los de Intel o AMD completamente desarrollados por Inteligencia Artificial no se puede descartar que esto sea posible en un futuro. Los procesadores de Google sobre los que se planea aplicar este nuevo método de diseño están optimizados para tareas de aprendizaje automático allanando así el camino a la Inteligencia Artificial.

Figura 7: Chips TPU que Google comenzará a fabricar usando IA.

Tras conocerse esta noticia, Google también ha anunciado que los chips de algunas de sus futuras herramientas de Inteligencia Artificial serán diseñados precisamente utilizando esta tecnología, lo que en el caso de obtener la materia prima para fabricar los microchips podría traducirse en el ahorro de millones de dólares para el gigante tecnológico.  En la actualidad el ser capaz de producir un microchip unas micras mas pequeño que el de otra compañía, diseñado para hacer la misma tarea, puede suponer una fortuna, sobre todo a la hora de conseguir contratos con empresas dedicadas a la fabricación de dispositivos tecnológicos - como Snapdragon con la venta de sus procesadores a distintas compañías dedicadas a la fabricación de smartphones -.

¿Superará la IA a los humanos fabricando IA?

Por el momento la primera aplicación comercial de esta tecnología, como ya ha confirmado Google en una entrevista para la revista Nature, será en el desarrollo de una nueva versión de los chips TPU (Tensor Processing Unit) como los que se utilizan en los centros de datos de la compañía. Para demostrar que los resultados obtenidos por su IA eran viables Google ha hecho pública una imagen en la que se muestra, aunque de forma borrosa (ya que el diseño de ambos es confidencial), la diferencia entre la estructura de un chip diseñado por humanos y uno diseñado por su innovadora herramienta. 

Figura 8: Comparativa de chip fabricado por humanos (izquierda)
y chip fabricado por la IA de Google (derecha).

Aunque en la imagen solo se puedan apreciar unas manchas de distintos colores, cada color representa un tipo de componente y es fácil apreciar las diferencias entre una estructura y otra, además del ahorro de espacio que proporciona la propuesta de la inteligencia artificial. Al igual que Jack S. Kilby sirvió de precedente para otros científicos y grandes compañías Google y su Inteligencia Artificial pueden haber marcado el comienzo de una nueva era en el diseño de microchips cada vez mas eficientes y que sin duda darán mucho de que hablar durante los próximos años.

Saludos,
 
Autor: Sergio Sancho, Security Researcher en Ideas Locas.

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