سلسلة ندوات مركز بحوث الأمن الرقمي - البروفيسور محمد شفيق

العنوان:

الأمن وكفاءة استخدام الطاقة في مجالي TinyML والذكاء الاصطناعي على الحافة: إطار عمل متعدد المستويات مع أساليب الأجهزة والبرمجيات

الملخص:

أظهرت المنهجيات الحديثة في التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي، مثل الشبكات العصبية العميقة، تطوراً كبيراً على مدى السنوات الماضية نحو تحقيق الدقة العالية في مجموعة واسعة من المهام، ومنها تصنيف الصور وتحديد الأشياء ومعالجة اللغات الطبيعية وتحليل البيانات الطبية. ومع ذلك، تتطلب الشبكات العصبية العميقة هذه عمليات معالجة مكثفة والكثير من الذاكرة والطاقة، الأمر الذي يفرض تحدياً كبيراً في إطار بناء حلول مراعية لاستهلاك الطاقة في مجالات tinyML والذكاء الاصطناعي على الحافة لأغراض متعددة مثل الأنظمة السيبرانية الفيزيائية الذكية وإنترنت الاشياء والأجهزة المقيدة من ناحية الموارد والطاقة والمعرضة لسيناريوهات غير متوقعة. وفي عصرنا هذا الذي يشهد تزايداً في تهديدات الأمن السيبراني، إن الخصائص الذكية في الأنظمة السيبرانية الفيزيائية الذكية وإنترنت الاشياء تواجه نوعاً جديداً من الهجمات على الأنظمة الفرعية للتعلم الآلي، الأمر الذي يتطلب مبادئ تصميم جديدة لتعزيز مستوى التعلم الآلي.

وتضمن عملي في المختبرات البحثية في جامعة نيويورك أبوظبي (الإمارات) وكلية تاندون في جامعة نيويورك (الولايات المتحدة) والجامعة التقنية في فيينا (النمسا) إجراء دراسات متعمقة لأسس الجيل القادم من أنظمة الحوسبة الفعالة ومنخفضة استهلاك الطاقة في مجال الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي، وفي نفس الوقت إيجاد الحلول للتحديات الواردة أعلاه سواء للأجهزة أو للبرمجيات. نتطرق في هذا الحديث إلى تحديات التصميم وأطر العمل متعددة المستويات من أجل بناء أنظمة إدراكية فعالة وذات كفاءة عالية في استهلاك الطاقة لتطبيقات tinyML والذكاء الاصطناعي على الحافة، الأمر الذي ستفيد من التطويرات في مختلف مستويات الأجهزة والبرمجيات، مثل المسرعات العصبية وتحسين إمكانية الوصول إلى الذاكرة وتقريبات الأجهزة والبرمجيات وضغط الشبكات وغيرها. تسمح هذه الأساليب متعددة المستويات بإتاحة فرص جديدة لتحسين كفاءة وأداء الأنظمة، الأمر الذي يعد خطوةً مهمة لتمكين النشر الواسع لأنظمة الذكاء الاصطناعي المدمجة ذات الموارد المحدودة مثل الطائرات المسيرة والمركبات الذاتية والروبوتات وإنترنت الأشياء في مجال الرعاية الصحية والأجهزة القابلة للارتداء وإنترنت الأشياء في القطاع الصناعي وغيرها.

Bio:

حصل محمد شفيق على درجة الدكتوراة في علوم الحاسوب من معهد كارلسروهه للتكنولوجيا في ألمانيا عام 2011، وقام بعدها بتأسيس وقيادة مجموعة بحثية رائدة في معهد كارلسروهه للتكنولوجيا على مدى العديد من السنوات، كما أجرى العديد من الأنشطة والأعمال المؤثرة في مجال البحث والتطوير في باكستان وحول العالم. وإلى جانب تأسيسه لشركة تكنولوجيا ناشئة في باكستان، ساهم أيضاً في إطلاق وقيادة مشروع في مجال تكنولوجيا المعلومات والاتصالات. وبنى أيضاً علاقات بحثية قوية مع جامعات متعددة في باكستان وفي مختلف أنحاء العالم، إذ شارك في الإشراف على العديد من أنشطة البحث والتطوير وأطروحات وأبحاث الطلاب منذ عام 2011، مما أدى إلى نتائج بحثية عالية الجودة ومنشورات علمية مرموقة. وقبل عمله لدى معهد كارلسروهه للتكنولوجيا، عمل شفيق مع شركة ""Streaming Networks"" حيث شارك في أنشطة البحث والتطوير لأنظمة ترميز الفيديو لعدة سنوات. وفي شهر أكتوبر 2016، انضم شفيق إلى معهد هندسة الحاسوب التابع لكلية المعلوماتية في الجامعة التقنية في فيينا بصفته أستاذاً دكتوراً في هيكلة الحاسوب والتقنيات الفعالة وذات الكفاءة في استخدام الطاقة (CARE-Tech). ويعمل شفيق منذ سبتمبر 2020 في قسم الهندسة في جامعة نيويورك أبو ظبي في دولة الإمارات العربية المتحدة، وهو عضو هيئة تدريس في الشبكة العالمية في كلية تاندون للهندسة بجامعة نيويورك في الولايات المتحدة. وهو أيضاً مدير مختبر ""eBrain"" البحثي وباحث رئيسي مساعد في العديد من المراكز التابعة لجامعة نيويورك أبوظبي، بما فيها مركز الذكاء الاصطناعي والروبوتات ومركز الأمن السيبراني ومركز ربط الشبكات الحضرية ومركز الأنظمة الكمية والطوبولوجية.

وأثبت الدكتور شفيق نجاحه في الحصول على عدة منح مرموقة وقيادة المشاريع والوفاء بالمواعيد النهائية للعروض التوضيحية وتحفيز أعضاء الفريق على الامتثال لمستويات الأداء وإكمال المهام الصعبة بشكل مستقل. ويتمتع د. شفيق بخبرة واسعة تعززها معرفته التقنية القوية وسجله التعليمي الحافل، كما أنه يتمتع بفهم متعمق لمختلف معايير ترميز الفيديو وخوارزميات التعلم الآلي. وتتمحور اهتماماته البحثية حول أجهزة الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي والتصميم على مستوى الأنظمة، إلى جانب الحوسبة المستوحاة من الدماغ البشري والأنظمة المستقلة والحوسبة الكمية والتعلم الآلي الكمي وأنظمة الرعاية الصحية القابلة للارتداء والأنظمة الموفرة للطاقة والحوسبة الفعالة وأمن الأجهزة والتقنيات الناشئة وأتمتت التصميمات الإلكترونية وإطارات ""FPGAs"" و""MPSoCs"" والأنظمة المدمجة. وتركز أبحاثه بشكل خاص على التحليل متعدد الطبقات والنمذجة والتصميم وتحسين عمليات الحوسبة وأنظمة الذاكرة. ويتم نشر التقنيات والأدوات التي تم بحثها في حالات استخدام مختلفة مثل إنترنت الأشياء والأنظمة السيبرانية الفيزيائية الذكية وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات من أجل التطوير.

وألقى د. شفيق العديد من الكلمات الرئيسية والحوارات والجلسات في عدة فعاليات رفيعة المستوى. وساهم أيضاً في تنظيم العديد من الجلسات الخاصة التابعة لمؤتمرات رائدة مثل DAC وICCAD وDATE وIOLTS وESWeek). وشغل د. شفيق منصب محرر مشارك ومحرر زائر في العديد من المجلات المرموقة مثل مجلة معاملات التصميم بمساعدة الكمبيوتر التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، ومجلة التصميم والاختبارات التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، ومجلة معاملات الحوسبة المدمجة التابعة لجمعية آلات الحوسبة، ومجلة معاملات الحوسبة المستدامة التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، ومجلة ""MICPRO"" من إليسفير. وقد شغل منصب رئيس لجنة البرنامج الفني في العديد من المؤتمرات الرائدة مثل ""IGSC"" و""ISVLSI"" و""PARMA-DITAM"" و""RTML"" و""ESTIMedia"" و""LPDC""، وكان أيضاً الرئيس العام لمؤتمرات ""ISVLSI"" و""IGSC"" و""DDECS"" و""ESTIMedia""، ورئيس المسارات في ""DAC"" و""ICCAD"" و""DATE"" و""IOLTS"" و""DSD"" و""FDL""، ورئيس منتدى الدكتوراه في ""ISVLSI"". وكان أيضاً عضواً في لجان البرامج لمجموعة رائدة من المؤتمرات التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات وجمعية آلات الحوسبة، ومنها مؤتمر ICCAD وDAC وMICRO وISCA وDATE وCASES وASPDAC وFPL. وقد أصبح في 2022 عضواً في مجلس المراجعة المتميز لدى مجلة معاملات أتمتت تصميم الأنظمة الإلكترونية التابعة لجمعية آلات الحوسبة. وهو أيضاً عضو أول في معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات وجمعية معالجة الإشارات التابعة له، وعضو خبير في كل من جمعية آلات الحوسبة وSIGARCH وSIGDA وSIGBED وHIPEAC. وسجل د. شفيق براءة اختراع في الولايات المتحدة وشارك في تأليف 6 كتب وأكثر من 15 فصلاً من كتب منشورة، كما نشر أكثر من 300 ورقة بحثية في مجلات ومؤتمرات مرموقة، وما يزيد عن 50 مقال.

وحصل د. شفيق في عام 2015 على جائزة SIGDA المرموقة من جمعية آلات الحوسبة الممنوحة لأعضاء هيئة التدريس المتميزين (تمنح لشخص واحد في السنة من حول العالم)، كما حصل على جائزة الذكاء الاصطناعي (AI-2000) للباحث الأكثر تأثيراً في تكنولوجيا الرقاقات لعام 2020 ، وجائزة أسباير للتميز البحثي من مجلس أبحاث التكنولوجيا المتطورة في عام 2021، وحصل أيضاً ست ميداليات ذهبية في مسيرته التعليمية والعديد من جوائز وترشيحات أفضل ورقة بحثية في مؤتمرات مرموقة مثل ""CODES+ISSS"" و""DATE"" و""DAC"" و""ICCAD""، وجائزة أفضل أطروحة ماجستير وجائزة ""DAC'14"" لأفضل تصميم ملصق، وجائزة بحث الشهر التابعة لمجلة معاملات الحاسوب التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، وجائزة أفضل محاضر. وقد أُبرِزت أعماله البحثية حول تحسين وحدات معالجة الرسومات في إصدار فبراير 2018 من مجلة ""Nature Electronics"". وأضيف د. شفيق أيضاً على لائحة الشرف لأعضاء هيئة التدريس لدى جامعة نيويورك في عام 2021، منا حصل العديد من طلابه على جوائز طلابية وبحثية مرموقة في المجتمع البحثي.