67 гостей
нейропроцесори | Журнал Популярна Механіка
Суперкомп'ютери, здатні здійснювати трильйони математичних операцій в секунду, займають гігантські приміщення, а споживана потужність їх можна порівняти з невеликим заводом. Мозок людини, призначений для тих же завдань, має обсяг в пару літрів і споживає енергії менше слабенькою лампочки. Так чому б не створити комп'ютер, заснований на принципах роботи мозку?
З моменту появи першого мікропроцесора в 1971 році тактові частоти збільшилися на три порядки. «Дехто схильний розглядати це як еволюцію в області комп'ютерних технологій, але її напрямок явно розходиться з еволюцією біологічного мозку, - каже Дхармендра Модха, директор з науки підрозділи Cognitive Computing лабораторії IBM Research в Алмадене. - Тактові частоти сучасних комп'ютерів вище, ніж у мозку, в сто мільйонів разів, але і питома витрата енергії (на логічний елемент) у них в десять тисяч разів більше. При спробі ж повномасштабного моделювання функціонування мозку зі 100 трильйонів синапсами все виглядає ще сумніше: навіть при використанні Sequoia, одного з найбільш продуктивних суперкомп'ютерів світу, заснованого на архітектурі IBM Blue Gene / Q, функціонування структури можна відтворити не в реальному часі, а на швидкості в 1500 разів повільніше.
І це при тому, що Sequoia складається з 96 стійок, займає площу в 300 м2 і має споживану потужність близько 8 МВт. А щоб «наздогнати» мозок, потрібен гіпотетичний комп'ютер, який споживає близько 12 ГВт! Для порівняння: споживана потужність людського мозку становить близько 20 Вт. Настільки велика різниця пояснюється двома факторами: технологією і архітектурою. Людський мозок використовує в якості елементної бази органічні нейрони, а мікропроцесори - неорганічні кремнієві транзистори. Але з цим поки нічого зробити неможливо, і ми вирішили зосередитися на другому факторі - архітектурі ».
Вчися сам! Параметри нейронів і синапсів процесора TrueNorth потрібно заздалегідь конфігурувати. За словами Білла Ризику, таке рішення було прийнято свідомо, щоб зменшити ймовірність помилок і знизити складність розробки многоядерного чіпа на перших етапах. Проте на одній з наступних фаз розробники планують зробити процесор «самонавчального»: конфігурація нейронів і синапсів буде змінюватися в залежності від зовнішніх сигналів і результатів їх обробки в реальному часі.
ключова різниця
Всі сучасні комп'ютери побудовані по так званій архітектурі фон Неймана, яка передбачає наявність процесора і пам'яті, в якій зберігаються дані і логічні інструкції по їх обробці - програми. Обмін даними між процесором і пам'яттю здійснюється по спеціальному каналу, який є найвужчим місцем, що обмежує продуктивність такої системи. Операції виконуються послідовно, диригують ними внутрішній годинник (тактовий генератор), і чим більше частота тактів, тим швидше виконується обробка даних. І тим вище енергоспоживання процесора.
Друге покоління нейросінаптіческіх чіпів - плід восьми років праці групи розробників IBM Research, а також багатьох інших дослідницьких центрів та провідних університетів. Споживання енергії чіпа з 256 мільйонами синапсів становить 0,1 Вт. У перспективі - комп'ютер, що містить 1 трлн синапсів зі споживанням 4 кВт.
Біологічний мозок влаштований зовсім по-іншому. Основне завдання, для якої еволюція шляхом проб і помилок створила цю складну нервову структуру, - обробка великої кількості сенсорних сигналів і видача у відповідь на ці сигнали складних команд. Мозок складається з безлічі нервових клітин (нейронів), що утворюють між собою міжклітинні з'єднання - синапси. Для такої структури не існує поділу на «процесор» і «пам'ять», мова мозку - це імпульси збудження, що передаються від одного нейрона до інших за допомогою синапсів, а інструкції і дані кодуються динамічною структурою зв'язків. Така обробка даних відбувається паралельно, тобто не вимагає високих тактових частот внутрішнього годинника, а це означає, що по енергоефективності така система не має собі рівних, на багато порядків перевершуючи найкращі вироби рук людських.
Ключові відмінності Традиційні процесори базуються на архітектурі фон Неймана і працюють під управлінням тактового генератора (тобто протягом усього часу). Нейросінаптіческіе процесори, як нейрони мозку, управляються потоком подій, і тому працюють тільки малу частину часу. Це знижує енергоспоживання на кілька порядків.
синаптична завдання
У 2006 році в дослідницькому підрозділі IBM задумалися над питанням, чи не можна побудувати комп'ютер, відступивши від архітектури фон Неймана і взявши за зразок принципи побудови біологічного мозку. Це послужило поштовхом до появи в 2008 році проекту з промовистою назвою SyNAPSE, що фінансується агентством передових оборонних розробок DARPA.
«Мета проекту, в роботі над яким взяли участь безліч дослідницьких центрів та провідних університетів по всьому світу, цілком відображена в його назві. SyNAPSE - це Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics, нейроморфние адаптивні масштабовані електронні системи, - пояснює «Популярною механіці» Білл Ризик, один з керівників групи розробників підрозділу IBM Research в Алмадене. - Якщо говорити більш простими словами, то це створення комп'ютера, заснованого на абсолютно новій архітектурі, запозиченої у людського мозку. Адже це дивно ефективний пристрій. Мозок здатний одночасно отримувати велику кількість сигналів - від зорової системи, слуху, дотику, нюху - і обробляти їх. Причому найчастіше дуже неординарними способами. Ось, наприклад, ви дивитеся на зображення троянди, але при цьому згадуєте її запах і відчуття колючок на стеблі, хоча ні від нюху, ні від дотику сигналів в цей момент не надходить: в мозку немає строгого поділу на дані, що надходять, пам'ять, інструкції по обробці і команди; все це кодується за допомогою одних і тих же принципів - конфігурації нейронів і синапсів (структури зв'язків) і передачі нервових імпульсів ».
цеглинки мозку
У мозку миші налічується 16 млн нейронів, що утворюють розгалужену мережу за допомогою 128 млрд синапсів. Це не так вже й багато: людський мозок утворений мережею з 220 трлн синапсів, які об'єднують 22 млрд нейронів. Але, незважаючи на серйозне кількісне розходження на кілька порядків, принципи побудови мозку і у людини, і у миші подібні. На макроскопічному рівні можна виділити окремі ділянки мозку, що відповідають за виконання тих чи інших спеціалізованих завдань: зорова кора, соматосенсорная, моторні області, асоціативна кора і інші. При більш глибокому розгляді виявляється, що мозок складається з так званих модулів (колонок кортекса), груп нейронів, які можна розглядати в якості будівельних блоків кори.
Розробники TrueNorth сповнені оптимізму, вважаючи, що в майбутньому стане можливим побудувати систему, що складається з 10 млрд нейронів і 100 трильйонів синапсів, що займає об'єм менше 2 л і споживає менше 1 кВт (всього лише в 50 разів більше людського мозку). Подібні технології можуть бути використані в самих різних областях, таких як системи відеоспостереження з метою суспільної безпеки, системи розпізнавання образів, що допомагають сліпим орієнтуватися в навколишньому світі, більш безпечний транспорт або охорону здоров'я.
Саме цим і скористалися розробники IBM Research. У 2011 році вдалося створити напівпровідниковий «цеглинка», аналог колонки кортекса - нейросінаптіческое ядро з 256 нейронів, об'єднаних 65 536 синапсами, тим самим продемонструвавши можливість реалізації подібного нестандартного підходу «в залізі». До складу такого ядра входить також пам'ять для зберігання параметрів конфігурації нейрона і синапсів і модуль комунікації. А в серпні 2014 роки команда, яка працює над проектом, представила створений за 28-нм техпроцесу процесор TrueNorth, який об'єднує 4096 таких ядер на одному чипі, тобто 1 млн нейронів і 256 млн синапсів. Як стверджує керівник SyNAPSE Дхармендра Модха, цей процесор - справжня революція: «Він має паралельну, розподілену, модульну, масштабовану і гнучку архітектуру, яка об'єднує обробку сигналів, комунікації і пам'ять на одному чіпі. Робота TrueNorth управляти не високочастотним тактовим генератором, а потоком подій ( «збуджень» під дією «нервових імпульсів»), в результаті чого нам вдалося досягти рекордних показників енергоефективності: при типовою роботі процесор споживає менше 100 мВт, в тисячу разів менше звичайного сучасного процесора » .
Процесор TrueNorth має многоядерную, паралельну, розподілену, модульну, масштабовану і гнучку архітектуру. Кожне ядро містить нейросінаптіческій процесор, комунікації і пам'ять. Розташування безлічі ядер на одному чипі дозволяє мінімізувати відстань, яку проходить сигналами. Збій в роботі окремих ядер не тягне виходу з ладу всього процесора (як відмирання окремих нейронів у випадку з біологічним мозком). Система міжпроцесорних комунікацій дозволяє об'єднувати чіпи, нарощуючи обчислювальну потужність нейроморфних систем.
права півкуля
Важливо і те, що TrueNorth масштабується, - можна будувати складні системи, що складаються з безлічі таких чіпів. В IBM Research вже продемонстрували комп'ютер, що складається з 16 процесорів, тобто з 16 млн нейронів - а це стільки ж, скільки містить мозок миші (правда, синапсів у миші більше). «Проте не можна говорити, що ми побудували мозок миші, або будь-якої іншої мозок, або що наш комп'ютер так само розумний, як миша, - каже Білл Ризик. - Це не так. Насправді ми створили комп'ютер з архітектурою, запозиченої у мозку. І він зовсім не призначений для заміни традиційних комп'ютерів. Подібно до того, як у людини два півкулі мозку виконують різні завдання - ліве відповідає за аналітичне мислення, а праве - за обробку сенсорних сигналів, в комп'ютерному світі звичайні процесори і нейросінаптіческіе відмінно доповнюють один одного. TrueNorth в цій аналогії дуже точно відповідає правій півкулі, набагато краще справляючись з потоком сенсорних даних і розпізнаванням образів в реальному часі, і ми вже успішно продемонстрували це на конкурсі DARPA Neovision Challenge.
Лідер або аутсайдер? Якщо дивитися на тактові частоти, то людський мозок є аутсайдером обчислювального світу. А ось якщо судити по енергоефективності, то продукт біологічної еволюції значно обганяє створення людських рук.
Чи не замінює TrueNorth і спеціалізовані цифрові процесори сигналів - вони можуть бути набагато більш точними. Зате в саму конструкцію нейросінаптіческіх чіпів закладена неперевершена енергоефективність, і це робить можливим створення різних автоматичних роботизованих систем збору даних про навколишнє середовище, здатних працювати, скажімо, від сонячних батарей ».
Нові перспективи, схоже, чекають і системи розпізнавання образів, особливо з урахуванням того, що фахівці компанії IBM мають намір побудувати систему, що складається з 4096 процесорів TrueNorth, що містить 4 млрд нейронів і 1 трлн синапсів, причому її споживана потужність становитиме всього 4 кВт. Втім, людський мозок за паливною ефективністю все ще залишається поза конкуренцією.
Стаття «За образом і подобою» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №12, Листопад 2014 ).
Так чому б не створити комп'ютер, заснований на принципах роботи мозку?Лідер або аутсайдер?
