Neuralink, sebuah perusahaan yang dikembangkan oleh Elon Musk, merupakan perusahaan Brain Machine Interface (BMI) yang memiliki terobosan dalam teknologi interaksi otak manusia dengan komputer dan perangkat elektronik lainnya secara langsung melalui pikiran. Dengan memasukkan elektroda atau sensor ke dalam otak, manusia dapat melakukan pertukaran informasi dua arah yang sangat menjanjikan.
Penelitian Neuralink berfokus pada pengembangan chip otak implan yang terbuat dari elektroda tipis yang dapat diimplan ke dalam otak manusia. Chip ini dirancang untuk menerjemahkan aktivitas saraf menjadi aktivitas komputasi dan sebaliknya, dengan tujuan akhir memungkinkan manusia untuk secara langsung berinteraksi dengan komputer hanya dengan menggunakan pikiran mereka.
Struktur Neuralink
Neuralink terdiri dari gold thin-film trace yang dienkapsulasi dalam substrat utama polimida dan dielektrik, dengan dua bagian utama, yaitu area sensor dan area thread. Array thin-film diproduksi dengan mikrofabrikasi wafer-level, memungkinkan pembuatan sepuluh perangkat dengan 3072 kontak elektroda di setiap wafer. Setiap array memiliki 48 atau 96 thread, masing-masing dengan 32 elektroda. Neuralink juga menggunakan metode flip-chip bonding mengikat chip terintegrasi ke kontak di area sensor. Desain thread dan elektroda mencakup lebih dari 20 konfigurasi berbeda, dengan dimensi thread berkisar dari 5 µm hingga 50 µm lebar dan ketebalan nominal 4-6 µm.
Perangkat terbaru saat ini, versi 0.9, memiliki 92 thread, masing-masing terdiri dari 32 elektroda yang menerima sinyal listrik otak dari 32 wilayah berbeda. Satu elektroda tunggal berukuran 20 nm bekerja sebagai reseptor sinyal listrik, menghasilkan 3072 saluran sinyal listrik analog yang dikonversi menjadi sinyal digital. Sinyal digital ini, dengan 20.000 sampel per detik, dapat ditulis ke disk eksternal secara bersamaan.
Data rekaman Neuralink dapat ditulis ke disk secara real-time bersama dengan pelacakan tindakan oleh perangkat pintar. Data ini juga dapat dikumpulkan dari laporan medis dan perangkat pasien, lalu disimpan di penyimpanan sekunder. Repositori data yang komprehensif diperlukan untuk mengumpulkan, menyimpan, dan mendistribusikan data, membantu dalam membangun model AI dan tujuan medis lainnya.
Perangkat Neuralink mendeteksi spike neural berdasarkan perilaku emosional, yang dapat digunakan untuk interpretasi perilaku manusia di masa depan. Data dari perangkat ini dapat dianalisis dengan algoritma pembelajaran mesin untuk mengembangkan emulasi kecerdasan manusia. Analisis jaringan neural manusia yang kompleks bisa diekspresikan dalam bentuk jaringan neural dalam menggunakan algoritma pembelajaran mesin.
Arsitektur Teknis Neuralink
N1 SoC (System-on-Chip) merupakan chip kustom yang dikembangkan oleh Neuralink khusus untuk sistem brain-machine interface (BMI) mereka. Chip ini merupakan ASIC (Application Specific Integrated Circuit) yang dioptimalkan untuk aplikasi BMI dengan nama singkatan N1 atau "Neural Interface Processor 1". ASIC pada sistem Neuralink berfungsi sebagai chip yang dirancang khusus untuk memproses sinyal otak dan berkomunikasi dengan komputer.
Perjalanan Neuron dari Analog ke digital
Ada 3 batu loncatan mendasar dalam perjalan neuron ini. Pertama pemrosesan analog lonjakan neuron (potensi aksi) dimulai dengan memperkuat dan memfilternya. Skenario yang ideal adalah satu piksel analog per elektroda sehingga kita dapat mengkonfigurasinya secara independen. Dengan demikian, pada SoC N1, terdapat 3.072 piksel analog dan masing-masing piksel ini menghabiskan sebagian besar ruang fisik pada chip. Hal lain yang perlu diperhatikan dengan “batu loncatan” ini adalah amplitudo biasanya kurang dari 10 mikrovolt. Oleh karena itu, ketika memperkuat sinyal, diperlukan penguatan sistem sebesar 43 dB hingga 60 dB untuk menempatkan sinyal dalam resolusi 10-bit ADC onboard (~ 1 mV).
Kedua adalah deteksi lonjakan otomatis, setelah sinyal diperkuat, sinyal tersebut diubah dan didigitalkan menjadi 0 dan 1 oleh konverter analog ke digital on-chip. Piksel analog dapat menangkap seluruh sampel sinyal saraf pada 20.000 sampel per detik dengan resolusi 10 bit yang menghasilkan lebih dari 200 megabit per detik data saraf untuk setiap saluran.
Ketiga adalah setiap saluran stimulasi (generasi potensi aksi). Batu loncatan terakhir untuk Neuralink adalah stimulasi elektroda. aat ini, chip N1 dapat menstimulasi salah satu elektrodanya dalam kelompok 64 buah secara bersamaan. Pengurangan bandwidth dari mesin kompresi dapat melebihi 1.000 kali lebih sedikit data.
Arsitektur Chip dan Fundamental Pipelines
Setiap modul N1 membawa beberapa ASIC untuk memaksimalkan keluaran pemrosesan yang sebagian besar dapat dikategorikan sebagai linear dan dua dimensi. Dalam pengaturan linier data diteruskan dari satu ASIC ke ASIC berikutnya. Dalam pengaturan ini, ASIC pertama menerima data dari saluran masing-masing, membuat paket data, dan mendorong sinyal yang diproses dalam bentuk paket ke ASIC berikutnya secara seri. ASIC ke-2 kemudian menerima data dari ASIC sebelumnya dan masing-masing elektrodanya dan meneruskan data yang baru dipaketkan bersama paket dari ASIC sebelumnya ke chip berikutnya dan akan terus berulang.
Komponen dasar ASIC Neuralink diantaranya port untuk transfer data antar chip (kiri-masuk, kanan-keluar), array piksel analog/penguat saraf, konverter analog-ke-digital (ADC), multiplekser digital, pengontrol, sirkuit konfigurasi, mesin kompresi, menggabungkan sirkuit, serial/deserializer. Aliran data dalam ASIC dimulai dengan piksel analog, yang merupakan amplifier yang dapat disetel dan disusun dalam grid 8x8. ASIC yang digambarkan dalam kertas putih tahun 2019 menampilkan 4 kisi penguat ini, dengan total 256 piksel analog dengan rasio 1:1.
Setelah diperkuat, sinyal didigitalkan oleh ADC. Terdapat 8 ADC yang menerima sinyal dari masing-masing delapan baris amplifier. Dalam hal versi di kertas putih, akan ada 32 ADC. Kemudian akan dilanjutkan ke multiplekser, yang membuat serial data dan memfilter untuk baris dan kolom tertentu dari array amplifier.
Sirkuit konfigurasi adalah antarmuka pemrograman utama ke ASIC, yang dapat mengalihkan chip antara beberapa mode operasi termasuk saluran lewati, kolom terjadwal, dan lonjakan tegangan kejadian. Mode ini pada dasarnya adalah serangkaian instruksi yang menerapkan ambang batas di berbagai komponen ASIC.
Melanjutkan aliran data, sinyal serial dikirim ke pengontrol yang berkomunikasi dengan mesin kompresi dan menggabungkan sirkuit. Fungsi utama pengontrol adalah untuk memaketkan data. Instruksi pengontrol dapat diubah setiap 6,25 µs (160 kHz).
Mesin kompresi menjalankan fungsi utama pengelolaan data yang efektif ketika rangkaian amplifier tidak menerapkan ambang batas pada data yang masuk. Dalam skenario ini, mesin kompresi menerima sinyal mentah dengan bandwidth tinggi, yang dalam beberapa kasus dapat diambil sampelnya pada 20 kHz, dari amplifier.
Arsitektur Paket Data
bandwidth adalah salah satu faktor pembatas utama implan saraf yang memerlukan penerapan teknik pembatasan dan tekanan balik untuk mencegah limpahan paket. Untuk bandwidth Analog, yang terutama didorong oleh karakteristik sinyal lonjakan saraf biasanya sekitar 500 Hz — 5 kHz. Untuk bandwidth Digital, pada dasarnya adalah perhitungan berapa banyak bit data yang Anda proses per unit waktu. ASIC menghasilkan angka 10-bit per sampel, yang berarti bahwa pada 20 kHz, setiap saluran menghasilkan 200 kilobit data per detik (~200 megabit per detik untuk 1000 saluran).
Data yang dikompresi dari chip ini diorganisir dalam bentuk paket yang dapat bervariasi ukurannya tergantung pada mode sistem yang digunakan. Dalam aliran bandwidth penuh, paket biasanya berukuran 80 bit tanpa header, dengan alamat kolom yang tersirat dalam urutan streaming. Dalam arsitektur paket alternatif, sinyal perintah dan penerimaan digunakan untuk transfer paket dengan hanya dua kata data karena kompresi. Misalnya, untuk setiap kolom yang dibaca, pengontrol akan membangun paket berdasarkan informasi yang diatur dalam sirkuit konfigurasi, dengan header 10 bit dan data ADC untuk baris yang diminta.
Paket data ini terdiri dari header, data, dan trailer, di mana header mencakup identifikasi chip dan nomor kolom, sedangkan data berisi informasi dari ADC yang telah difilter oleh SkipVec. SkipVec adalah vektor 64-bit yang mengonfigurasi saluran mana yang akan diambil sampelnya atau dilewati. Pengontrol dan mesin kompresi bekerja sama untuk mengatur jumlah data yang dihasilkan, memastikan bahwa hanya data yang relevan yang dikirimkan, sehingga mengurangi kemacetan bandwidth dan meningkatkan efisiensi sistem.
Strategi pengelolaan paket ini juga mencakup konsep backpressure yang memungkinkan pengendalian aliran data dengan menahan pengiriman paket jika terjadi kemacetan, serta penggunaan buffer untuk menyimpan dan meneruskan data sesuai kebutuhan. Selain itu, sistem ini memungkinkan penyesuaian dinamis dari ukuran paket berdasarkan kebutuhan data yang sedang dikirim, menghindari penggunaan data kosong yang berlebihan dan memaksimalkan efisiensi transmisi data.
SoC N1
System-on-chip (SoC) didesain dengan fitur manajemen daya terintegrasi seperti reset daya dan deteksi penurunan tegangan, menghasilkan konsumsi daya total rendah hanya 24,7 mW. Dengan proses fabrikasi 65nm CMOS, arsitektur system-on-chip (SoC) ini mampu merekam potensial lokal dan potensial aksi saraf dengan rentang 5Hz-10kHz, menjadikannya SoC saraf AC-coupled dengan kepadatan tertinggi dan konsumsi daya terendah. SoC ini terdiri dari empat tile 256 saluran yang masing-masing berisi 256 penguat saraf, 16 konverter analog-ke-digital SAR, mesin stimulasi 16 inti dengan setiap inti terhubung ke 16 saluran, mesin pengukur impedansi, modul manajemen daya lokal, serta prosesor sinyal digital dengan deteksi spike terintegrasi. Desain mengesankan ini memungkinkan SoC Neuralink untuk memproses sinyal saraf dengan efisien dan akurat.
Salah satu fitur unggulan modul ini adalah mesin stimulasi 64 inti yang dapat merangsang seluruh 1024 saluran dengan bentuk gelombang arus sembarang pada kombinasi elektroda apa pun dalam modul perekaman 16 saluran. Kemampuan ini memungkinkan para peneliti dan ilmuwan untuk mempelajari aktivitas otak secara mendetail yang belum pernah terjadi sebelumnya, membuka peluang untuk wawasan dan penemuan baru. Dengan dilengkapi 16 inti mesin stimulasi, sistem mampu menghasilkan arus hingga 600µA dengan tegangan kepatuhan +/- 1,8V dan keteraturan 8-bit. Tingkat kontrol yang sangat presisi ini memfasilitasi pembangkitan gelombang dengan resolusi waktu hingga 7,8125µs, serta pemrograman berbagai parameter stimulasi lainnya seperti amplitudo arus, durasi pulsa, celah antar pulsa, dan frekuensi melalui tautan digital serial. Fitur canggih ini menjadikan modul mampu menstimulasi aktivitas otak dengan presisi tinggi untuk keperluan penelitian.
Neuralink berhasil mengembangkan System-on-a-Chip (SoC) yang sangat efisien dalam hal konsumsi daya. Dalam konfigurasi tipikal, termasuk seluruh sirkuit manajemen daya, digital, clock, dan driver I/O, SoC ini hanya mengonsumsi 24,7 mW daya. Efisiensi daya yang luar biasa dari SoC ini diimbangi dengan ukuran chip yang kompak, dengan total area chip per saluran hanya 0,02mm². Pencapaian ini menetapkan standar baru dalam hal kepadatan integrasi sirkuit. Desain SoC yang hemat daya namun memiliki kepadatan tinggi ini menjadi terobosan penting bagi perangkat brain-machine interface yang diimplan, memungkinkan operasi yang efisien dan kompak di dalam tubuh manusia.
Baterai
Perangkat N1 Neuralink dirancang untuk beroperasi terus-menerus menggunakan baterai yang dapat diisi ulang melalui transfer daya nirkabel. Namun, kondisi implantasi membawa tantangan khusus seperti tidak adanya magnet untuk penyelarasan, ketahanan terhadap gangguan, tingkat pengisian tinggi, dan keamanan suhu pada jaringan otak. Karena itu, mekanisme pengisian daya yang aman dan efektif memerlukan pertimbangan cermat. Saat ini, pengisi daya berbasis baterai aluminium dengan sirkuit penggerak dan koil jarak jauh berukuran 4 kali lipat digunakan untuk mengisi daya implan generasi terbaru. Koil jarak jauh yang dapat dilepas ini memiliki frekuensi peralihan yang ditingkatkan untuk meningkatkan kopling koil. Pengisi daya produksi ini telah diimplementasikan, termasuk untuk pengujian hewan di fasilitas Neuralink, menunjukkan kemajuan dalam mengatasi tantangan pengisian implant secara efisien dan aman.
Pengujian Chip N1 Neuralink
Chip N1 Neuralink, yang dikembangkan di bawah visi Elon Musk, telah melalui berbagai pengujian ketat untuk memastikan fungsionalitas dan keamanannya. Chip ini, yang terbungkus dalam biocompatible enclosurel, yang mengandung 1024 elektroda yang didistribusikan di sepanjang 64 ultra thin, Flexibel threads. Elektroda ini menangkap sinyal neural yang kemudian diproses oleh chip dan ditransmisikan secara nirkabel ke perangkat eksternal, di mana Aplikasi Neuralink menerjemahkan data menjadi perintah yang dapat dilakukan, seperti menggerakkan kursor di layar.
Sebelum uji coba manusia, chip N1 menjalani pengujian pra-klinis yang ketat. Ini termasuk pembuatan mikro untuk membuat array film tipis, pemotongan laser khusus untuk presisi komponen, dan pengujian umur dipercepat untuk mensimulasikan kondisi keras dan mengidentifikasi potensi mode kegagalan. Latihan bedah dilakukan untuk menyempurnakan prosedur implantasi, dan infrastruktur perawatan hewan khusus didirikan untuk memastikan perlakuan etis selama pengujian hewan (Neuralink) (Decrypt).
Implantasi manusia pertama dari chip N1 dilakukan pada seorang dewasa yang mengalami kelumpuhan sebagai bagian dari Studi PRIME, yang berfokus pada keselamatan dan fungsionalitas awal untuk memungkinkan individu quadriplegia mengontrol perangkat dengan pikiran mereka. Prosedur ini melibatkan penyisipan benang yang presisi menggunakan robot bedah khusus (Neuralink).
Pengujian chip N1 Neuralink menunjukkan kemajuan yang signifikan, Tetapi ada beberapa kesenjangan yang perlu diatasi. Pengujian awal berfokus pada kemampuan chip untuk menangani 1024 elektroda, namun kemampuan SoC untuk menskalakan jumlah elektroda yang lebih tinggi belum sepenuhnya dieksplorasi. Uji jangka panjang pada manusia baru saja dimulai, penting untuk memastikan kinerja SoC tetap optimal tanpa degradasi setelah penggunaan yang lama. SoC harus mampu memproses data neural dalam waktu nyata tanpa latensi signifikan, namun pengujian pada aktivitas neural yang kompleks dan dinamis dalam kehidupan sehari-hari masih kurang. Selain itu, efisiensi energi penting untuk memastikan implantasi dapat berfungsi dalam jangka panjang tanpa sering memerlukan pengisian daya, dan pengujian konsumsi daya dalam berbagai kondisi operasional belum sepenuhnya dipublikasikan. Terakhir, keamanan data neural dari akses tidak sah atau penyalahgunaan perlu diuji lebih lanjut untuk memastikan data yang dikumpulkan oleh SoC aman dari ancaman cyber.
Implementasi Neuralink di dalam Kehidupan
Di bidang kesehatan, Neuralink telah diterapkan pada pasien yang mengalami gangguan saraf, seperti pada penderita epilepsi dan parkinson dengan tujuan untuk meningkatkan kualitas hidup pasien yang terkena gangguan neurologis. Epilepsi dapat diobati dengan Hardware Architecture for Low power BCIs (HALO). HALO sendiri adalah sebuah arsitektur untuk Brain-Computer Interfaces atau BCIs yang dapat diimplan. Pada parkinson dapat diobati dengan stimulasi otak dalam Deep Brain Stimulation (DBS). DBS adalah jenis perangkat BMI yang memerlukan operasi untuk memasang kabel elektroda yang tipis di bagian otak yang bertanggung jawab atas gerakan yang tidak normal. Lalu, memasang generator impuls baterai (IPG) di perut atau tulang selangkangan.
Dalam peningkatan kehidupan manusia, Neuralink berpotensi untuk meningkatkan kemampuan kognitif dan fisik manusia. Ini termasuk meningkatkan memori, memungkinkan komunikasi langsung antara otak dan komputer, dan bahkan menambah persepsi sensorik yang dapat membantu segala pekerjaan manusia serta mengontrol kursor dan keyboard menggunakan pikiran.
Neuralink juga dapat diimplementasikan dalam pendeteksian kriminal di masa depan dengan tanda munculnya Brain-Chip-Interfaces (BCHIs) berpotensi berperan dalam deteksi kriminal dengan memberikan wawasan tentang proses saraf yang terkait dengan perilaku menipu, ingatan, atau respons emosional.
Ikuti tulisan menarik Muhammad Rafli lainnya di sini.
