טאואר-ג'אז והטכניון פיתחו רכיב ממריסטור לייצור שבבי בינה מלאכותית

פרופ' שחר קוטינסקי מהפקולטה להנדסת חשמל בטכניון (בתמונה למעלה), ביחד עם הדוקטורנט לואי דאניאל ועם חברת טאואר-ג'אז (TowerJazz), הצליחו לייצר ממריסטור זול מאוד ובטכנולוגיה מוכחת, המאפשר לבנות רשתות נוירוניות גדולות מאוד המבצעות עיבוד (לימוד והסקה) אנלוגי של המידע. החוקרים ייצרו התקן בעל שני הדקים (Two-terminal Floating-gate Transistor) באמצעות שינוי קל בתהליך של טאואר-ג'אז לייצור זכרונות פלאש בטכנולוגיית CMOS בגיאומטריה של 180 ננומטר.

התוצאה היא ממריסטור הזוכר 65 ערכי התנגדות שונים, בהתאם למתח המוטען עליו בשלב הכתיבה בהדק העליון, ומפיק בהדק התחתון 65 ערכי זרם שונים בשלב הקריאה. רעיון הממריסטור הועלה לראשונה בתחילת שנות ה-70 על-ידי פרופ' לאון צ'ואה היפני. במאמר תיאורטי שפירסם הוא טען שהמערכות האלקטרוניות הקיימות מבוססות על השילוש נגד-קבל-סליל. הוא הציע רכיב נוסף – נגד המסוגל לזכור מצבים – שהוא העניק לו את השם ממריסטור (Memory Resistor). כלומר, נגד שיכול לשנות את ההתנגדות שלו ולכן גם לשמש כבסיס לייצור זכרונות התנגדותיים בלתי-נדיפים.

הפלאש הפך למתג אנלוגי

מאז נעשו מאמצים רבים לייצר ממריסטורים וזכרונות התנגדותיים, אולם ברוב המקרים מדובר ברכיבים מעבדתיים או יקרים ובעלי מגבלות גודל. פריצת הדרך החשובה בפרוייקט של טאואר-גאז והטכניון היא ביכולת לייצר ממריסטור לומד בטכנולוגיה קיימת וזולה מאוד. במחקר תיאורטי של קוטינסקי שנערך בשנה שעברה, הוא הוכיח שרשתות לימוד עומק (Deep Learning) הבנויות על-פי העיקרון הזה, יכולות להיות מהירות פי 1,000 בהשוואה ליישום דיגיטלי שלהן המבוסס על שימוש במעבדי GPU.

התוצאה היא מעין מתג אנלוגי המתפקד כמו סינפסה ברשת נוירונית מהירה, אשר פועל במתחים נמוכים (בסביבות 1V). תהליך הלימוד (כתיבה) נעשה באמצעות שינויים במתח (דלתא) המאפשרים תהליך למידה עם כל מחזור, באמצעות תיקון של המשקל הקיים בכל מתג (המשקל הוא שווה ערך להתנגדות המתוקנת). תהליך ההסקה (קריאה) נעשה באמצעות מדידת הזרם המשותף של כל המתגים המצויים בעמודה מוגדרת (שווה ערך לכל המשקלים בשכבת עיבוד ברשת נוירונית).

חישוב מהיר המפיק תשובה במחזור שעון יחיד

בראיון ל-Techtime הסביר קוטינסקי שתהליך הייצור הוא זול מאוד וקל מאוד, מכיוון שהוא מבוסס על טכנולוגיה קיימת שהשינוי שבוצע בה אפילו לא דורש שינוי במסיכות. כלומר, הוא נעשה ללא תוספת עלות. "לקחנו טכנולוגיה קיימת של טאואר-ג'אז, ובאמצעות שינוי קל בהתקן שלהם קיבלנו ממריסטור שהוא בעל ביצועים טובים יותר מאשר הממריסטורים המעבדתיים הטהורים. זוהי גרסה של מחשב אנלוגי מהיר מאוד, מכיוון שקריאת המידע מכל עמודה נעשית במחזור שעון אחד בלבד". לרשת החדשה יש את כל התכונות של זיכרון בלתי נדיף אמין: חברת טאואר-ג'אז מתחייבת שהוא שומר את המידע לפחות 10 שנים.

במחקר השתתפו גם פרופ' יעקב רויזין וד"ר יבגני פיחאי מחברת טאואר-ג'אז ופרופ'-משנה ראמז דניאל מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון. לדברי רויזין, "הממריסטור יושב על הטרנזיסטורים הקיימים של טאואר-ג'אז, ומתממשק באופן מיידי עם כל ההתקנים שאיתם הם עובדים. הטכנולוגיה החדשה נבחנה בתנאי אמת והראתה כי אכן היא ניתנת להטמעה ברשתות עצביות בחומרה. בדומה למוח, המערכת המשופרת מצטיינת בשמירת מידע לטווח ארוך ובצריכת אנרגיה נמוכה מאוד".

הפרוייקט פורסם במאמר בכתב העת Natureelectronics. לקריאת המאמר הקליקו: כאן

סטודנטים מהטכניון פיתחו מערכת אוטונומית להנחתת מטוסים

בתמונה למעלה: ממשק הטייס האוטונומי בזמן הטיסה

חוקרים בטכניון הצליחו לסגור פער נוסף בדרך לפיתוחה של תעופה אוטומטית, כאשר הם הדגימו בהצלחה מערכת חירום מסוג חדש, אשר נכנסת לפעולה כאשר חלה השבתה במנועיו של מטוס. המערכת מזהה מצב של השבתת מנועים, מנתחת את מצב המטוס ומיקומו, מאתרת אתר נחיתה מתאים, ומנווטת את המטוס לביצוע אוטומטי של נחיתה בטוחה. בעקבות הפיתוח, חיזק הטכניון את מעמדו כאחד מהגופים האקדמיים המובילים היום בעולם בפיתוח מערכות תעופה אוטומטיות.

השוק משווע לפתרונות תעופה אוטומטית

הפעילות של התחום בטכניון מתחברת אל מגמה המקבלת תאוצה של הרחבת הפתרונות האוטומציה בתעופה. להערכת מחקר חדש של חברת המחקר Markets and Markets, שוק התעופה האוטונומית יצמח מהיקף של כ-3.6 מיליארד דולר בשנת 2018 להיקף של כ-23.7 מיליארד דולר בשנת 2030. מחשב בקרת הטיסה הוא מרכיב החומרה החשוב ביותר בטיסה האוטונומית, אולם הוא זקוק לאלגוריתמים המעניקים יכולת ניהוג אוטונומית. לכן החברה מעריכה שמרכיב התוכנה יהיה בעל הצמיחה המהירה ביותר בתחום.

כיום, ברוב כלי הטיס המסחריים הגדולים יש מרכיב של ניהוג אוטונומי פשוט, אולם רק כלי-טיס צבאיים בלתי מאויישים מצויידים ביכולת ניהוג אוטונומית מלאה. בתחום הזה החברה מציינת את אלביט הישראלית כאחת מהחברות המובילות בתחום הזה בעולם, לצד חברות כמו בואינג, לוקהיד מרטין, איירבאס, רוקוול קולינס ונורתרופ גרומן.

המאמץ המרכזי של התעשייה כיום הוא להגביר את רמת האוטומציה בתעופה המסחרית כדי להפחית את העומס המוטל על הטייסים. להערכת החברה, ביחד עם התפתחות האוטונומיה בתעופה, יופיעו פתרונות תחבורה חדשים, דוגמת רחפני מטען אוטונומיים, תחבורה עירונית אווירית אוטונומית, וסוגים חדשים של מטוסי מטען ונוסעים.

תלמידי הטכניון ו"הנס על ההדסון"

הבעייה עמה התמודדו הסטודנטים בטכניון אינה חדשה ואינה נדירה: להערכת רשות התעופה האמריקאית (FAA): השבתת מנועים בלתי צפויה היא אחד מהגורמים המרכזיים לתאונות טיסה. כך למשל, בינואר 2009 הושבתו מנועיו של מטוס איירבס A320 של חברת US Airways כתוצאה מפגיעת ציפורים לאחר שהמריא משדה התעופה לה-גרדיה בניו יורק. למרבה המזל הצליח הטייס להנחית את המטוס על נהר ההדסון, ולהציל את חייהם של 155 הנוסעים ואנשי הצוות. הבעיה חמורה במיוחד במטוסים קלים, מכיוון שהם אינם מצוידים במערכות בקרה וגיבוי מתוחכמות וטייסיהם אינם עוברים הכשרה מעמיקה.

צוות הסטודנטים שעבד על הפרויקט (. מימין לשמאל): חנה ודן שטראוסמן, אלון ירושינסקי ועמרי פרוינד
צוות הסטודנטים שעבד על הפרויקט (. מימין לשמאל): חנה ודן שטראוסמן, אלון ירושינסקי ועמרי פרוינד

בעשור האחרון נעשו מחקרים רבים בטכניון שנועדו לספק פתרון אופטימלי למצב שבו מנועיו של מטוס מושבתים והוא צריך לגלוש ולהגיע אל מנחת בטוח. הבסיס התיאורטי פותח בסדרת מחקרים של פרופ' יוסי בן-אשר, פרופ' נחום שימקין וד"ר אהרון בר-גיל, בשיתוף מפא"ת במשרד הביטחון. במסגרת זאת פותח אלגוריתם להתוויית המסלול האופטימלי בזמן אמת. היישום המעשי פותח על-ידי שני צוותי סטודנטים בהנחיית פרופ' שימקין וד"ר בר-גיל. עמרי פרוינד ואלון ירושינסקי מימשו את אלגוריתם התוויית המסלול, וחנה ודן שטראוסמן פיתחו מערכת תצוגה לטייס, ממשקי חיישנים ואינטגרציית תוכנה וחומרה לצורך ניסוי מוטס.

בסוף יולי 2019 נערך הניסוי: המערכת נבדקה בטיסה על-ידי הטייסים מייק דביר, יובל דביר ומהנדס הניסוי המוטס שלומי שוורץ. הטיסה בסביבות הר תבור דימתה מצב של השבתת מנוע מעל קרית טבעון, וכניסת המערכת הטכניונית לפעולה. האלגוריתם איתר מזרחית להר שני מנחתים אפשריים, חישב את המסלול אל היעד העדיף והציג לטייס סמן שהנחה אותו לדאייה אל המנחת המועדף. התוצאה: המטוס עקף את התבור בהצלחה, והטייס העיד בדיעבד כי ההנחיה הייתה מוצלחת וגם הנדסת האנוש של התווית הדרך לטייס יעילה ונוחה. בטכניון מעריכים שהאלגוריתם שפותח עשוי לשמש גם כמנגנון הנחתת חירום של כלי-טיס בלתי מאוישים.