Компьютер сархитектурой человеческого мозга
С момента появления первого процессора в первой половине 70-ых годов двадцатого века тактовые частоты возросли на три порядка. «Кое-какие склонны разглядывать это как эволюцию в области компьютерных разработок, но ее направление очевидно расходится с эволюцией биологического мозга, — говорит Дхармендра Модха, директор по науке подразделения Cognitive Computing лаборатории IBM Research в Алмадене. — Тактовые частоты современных компьютеров выше, чем у мозга, в сто миллионов раз, но и удельный расход энергии (на логический элемент) у них в десять тысяч раза больше. При попытке же полномасштабного моделирования функционирования мозга со 100 трлн синапсами все выглядит еще печальнее: кроме того при применении Sequoia, одного из самых производительных суперкомпьютеров мира, основанного на архитектуре IBM Blue Gene/Q, функционирование структуры возможно воссоздать не в настоящем времени, а на скорости в 1500 раз медленнее.
И это при том, что Sequoia складывается из 96 стоек, занимает площадь в 300 м2 и имеет потребляемую мощность около 8 МВт. А дабы «догнать» мозг, нужен гипотетический компьютер, потребляющий около 12 ГВт! Для сравнения: потребляемая мощность людской мозга образовывает около 20? Вт. Столь громадная отличие разъясняется двумя факторами: архитектурой и технологией.
Человеческий мозг применяет в качестве элементной базы органические нейроны, а процессоры — неорганические кремниевые транзисторы. Но с этим до тех пор пока ничего сделать нереально, и мы решили сосредоточиться на втором факторе — архитектуре».
Главная отличие
Все современные компьютеры выстроены по так называемой архитектуре фон Неймана, которая предусматривает памяти и наличие процессора, в которой сохраняются логические инструкции и данные по их обработке — программы. Обмен данными между памятью и процессором осуществляется по особому каналу, что есть самым узким местом, ограничивающим производительность таковой совокупности.
Операции выполняются последовательно, дирижируют ими внутренние часы (тактовый генератор), и чем больше частота тактов, тем стремительнее выполняется обработка данных. И тем выше энергопотребление процессора.
Биологический мозг устроен совсем по-второму. Главная задача, для которой эволюция методом ошибок и проб создала эту сложную нервную структуру, — обработка громадного количества сенсорных сигналов и выдача в ответ на эти сигналы сложных команд. Мозг складывается из множества нервных клеток (нейронов), образующих между собой межклеточные соединения — синапсы.
Для таковой структуры не существует разделения на «память» и «процессор», язык мозга — это импульсы возбуждения, передаваемые от одного нейрона к вторым посредством синапсов, а инструкции и эти кодируются динамической структурой связей. Такая обработка данных происходит параллельно, другими словами не требует высоких тактовых частот внутренних часов, а это указывает, что по энергоэффективности такая совокупность не имеет себе равных, на большое количество порядков превосходя самые лучшие изделия рук людских.
Синаптическая задача
В 2006 году в исследовательском подразделении IBM задумались над вопросом, запрещено ли выстроить компьютер, отойдя от архитектуры фон Неймана и забрав за пример правила построения биологического мозга. Это подтолкнуло к появлению в 2008 году проекта с говорящим именем SyNAPSE, финансируемого агентством передовых оборонных разработок DARPA.
«Цель проекта, в работе над которым участвовали множество исследовательских центров и ведущих университетов в мире, в полной мере отражена в его заглавии. SyNAPSE — это Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics, нейроморфные адаптивные масштабируемые электронные совокупности, — растолковывает «Популярной механике» Билл Риск, один из начальников группы разработчиков подразделения IBM Research в Алмадене. — В случае если сказать более несложными словами, то это создание компьютера, основанного на совсем новой архитектуре, позаимствованной у людской мозга.
Так как это страно действенное устройство. Мозг способен в один момент приобретать много сигналов — от зрительной совокупности, слуха, осязания, обоняния — и обрабатывать их. Причем обычно весьма неординарными методами.
Вот, к примеру, вы смотрите на изображение розы, но наряду с этим вспоминаете ее ощущение и запах колючек на стебле, не смотря на то, что ни от обоняния, ни от осязания сигналов сейчас не поступает: в мозгу нет строгого разделения на поступающую информацию, память, инструкции по обработке и команды; все это кодируется посредством одних и тех же синапсов — конфигурации структуры и принципов (нейронов связей) и передачи нервных импульсов».
Кирпичики мозга
В мозгу мыши насчитывается 16 млн нейронов, образующих разветвленную сеть посредством 128 млрд синапсов. Это не верно уж и большое количество: человеческий мозг образован сетью из 220 трлн синапсов, объединяющих 22 млрд нейронов. Но, не обращая внимания на важное количественное различие на пара порядков, правила построения мозга и у человека, и у мыши сходны.
На макроскопическом уровне возможно выделить отдельные области мозга, несущие ответственность за исполнение тех либо иных специальных задач: зрительная кора, соматосенсорная, моторные области, ассоциативная кора и другие. При более глубоком рассмотрении выясняется, что мозг складывается из так называемых модулей (колонок кортекса), групп нейронов, каковые возможно разглядывать в качестве строительных блоков коры.
- 10 млрд нейронов и 100 трлн синапсов
Разработчики TrueNorth полны оптимизма, считая, что в будущем станет вероятным выстроить совокупность, складывающуюся из 10 млрд нейронов и 100 трлн синапсов, занимающую количество менее 2 л и потребляющую менее 1 кВт (всего лишь в 50 раза больше людской мозга). Подобные разработки смогут быть использованы в самых разных областях, таких как совокупности видеонаблюдения в целях публичной безопасности, совокупности распознавания образов, помогающие слепым ориентироваться в окружающем мире, более надёжный транспорт либо здравоохранение.
Процессор TrueNorth имеет многоядерную, параллельную, распределенную, модульную, масштабируемую и эластичную архитектуру. Каждое ядро содержит нейросинаптический процессор, коммуникации и память. Размещение множества ядер на одном чипе разрешает минимизировать расстояние, проходимое сигналами. Сбой в работе отдельных ядер не влечет выхода из строя всего процессора (как отмирание отдельных нейронов при с биологическим мозгом).
Совокупность межпроцессорных коммуникаций разрешает объединять чипы, наращивая вычислительную мощность нейроморфных совокупностей.
Как раз этим и воспользовались разработчики IBM Research. В 2011 году удалось создать полупроводниковый «кирпичик», аналог колонки кортекса — нейросинаптическое ядро из 256 нейронов, объединенных 65?536 синапсами, тем самым показав возможность реализации аналогичного нестандартного подхода «в железе». В состав для того чтобы ядра входит кроме этого память для хранения синапсов конфигурации и параметров нейрона и модуль коммуникации.
А в августе 2014 года команда, трудящаяся над проектом, представила созданный по 28-нм техпроцессу процессор TrueNorth, объединяющий 4096 таких ядер на одном чипе, другими словами 1 млн нейронов и 256 млн синапсов. Как утверждает начальник SyNAPSE Дхармендра Модха, данный процессор — настоящая революция: «Он имеет параллельную, распределенную, модульную, масштабируемую и эластичную архитектуру, объединяющую обработку сигналов, коммуникации и память на одном чипе.
Работа TrueNorth управляется не высокочастотным тактовым генератором, а потоком событий («возбуждений» под действием «нервных импульсов»), в следствии чего нам удалось добиться рекордных показателей энергоэффективности: при обычной работе процессор потребляет менее 100 мВт, в тысячу раз меньше простого современного процессора».
- Классические процессоры прекрасно справляются с обработкой аналитической информации (соответствует левому полушарию мозга).
Нейросинаптические процессоры несут ответственность за обработку сенсорных данных и распознавание образов (соответствует правому полушарию мозга).
Эксперты IBM сохраняют надежду создать целостный компьютерный интеллект, объединив два дополняющих друг друга подхода.
Параметры синапсов и нейронов процессора TrueNorth требуется заблаговременно конфигурировать.
По словам Билла Риска, такое решение было принято сознательно, дабы уменьшить возможность неточностей и снизить сложность разработки многоядерного чипа на первых этапах. Однако на одной из следующих фаз разработчики собираются сделать процессор «самообучаемым»: конфигурация синапсов и нейронов будет изменяться в зависимости от результатов и внешних сигналов их обработки в настоящем времени.
Правое полушарие
Принципиально важно да и то, что TrueNorth масштабируется, — возможно строить сложные совокупности, складывающиеся из множества таких чипов. В IBM Research уже показали компьютер, складывающийся из 16 процессоров, другими словами из 16 млн нейронов — а это столько же, сколько содержит мозг мыши (действительно, синапсов у мыши больше). «Однако нельзя говорить, что мы выстроили мозг мыши, либо какой-либо второй мозг, либо что отечественный компьютер так же умен, как мышь, — говорит Билл Риск. — Это не верно.
В действительности мы создали компьютер с архитектурой, позаимствованной у мозга. И он вовсе не рекомендован для замены классических компьютеров. Подобно тому, как у человека два полушария мозга делают различные задачи — левое несёт ответственность за аналитическое мышление, а правое — за обработку сенсорных сигналов, в компьютерном мире простые процессоры и нейросинаптические превосходно дополняют друг друга.
TrueNorth в данной аналогии весьма совершенно верно соответствует правому полушарию, значительно лучше справляясь с потоком сенсорных данных и распознаванием образов в настоящем времени, и мы уже удачно показали это на конкурсе DARPA Neovision Challenge.
Не заменяет TrueNorth и специальные цифровые процессоры сигналов — они смогут быть значительно более правильными. Но в саму конструкцию нейросинаптических чипов заложена непревзойденная энергоэффективность, и это делает вероятным создание разных автоматических роботизированных совокупностей сбора информации об окружающей среде, талантливых трудиться, скажем, от солнечных батарей».
Второе поколение нейросинаптических чипов — плод восьми лет труда группы разработчиков IBM Research, и многих вторых исследовательских центров и ведущих университетов. Потребление энергии чипа с 256 миллионами синапсов образовывает 0,1 Вт. В возможности — компьютер, содержащий 1 трлн синапсов с потреблением 4 кВт.
Классические процессоры базируются на архитектуре фон Неймана и трудятся под управлением тактового генератора (другими словами в течении всего времени).
Нейросинаптические процессоры, как нейроны мозга, управляются потоком событий, и потому трудятся лишь малую часть времени. Это снижает энергопотребление на пара порядков.
Новые возможности, наверное, ожидают и совокупности распознавания образов, в особенности с учетом того, что эксперты компании IBM собираются выстроить совокупность, складывающуюся из 4096 процессоров TrueNorth, содержащую 4 млрд нейронов и 1 трлн синапсов, причем ее потребляемая мощность будет составлять всего 4 кВт. Но, человеческий мозг по эффективности все еще остается вне конкуренции.
Фаворит либо аутсайдер?
В случае если наблюдать на тактовые частоты, то человеческий мозг есть аутсайдером вычислительного мира.
А вот в случае если делать выводы по энергоэффективности, то продукт биологической эволюции существенно обгоняет создания людских рук.
Статья «По подобию и образу» размещена в издании «Популярная механика» (№146, декабрь 2014).
<
h4>