Новости        Телеология        en

Наука и жизнь
В IBM собрали чип, имитирующий работу 1 миллиона нейронов и 256 миллионов межнейронных соединений.

Большинство современных компьютеров основаны на архитектуре фон Неймана. Ещё 1945 году Джон фон Нейман придумал схему процесса последовательной обработки данных, которая включает арифметико-логическое устройство, занимающееся обработкой данных, устройство управления, память и устройства ввода-вывода информации. Арифметико-логическое устройство выполняет какую-то операцию с данными и переходит к следующей операции, и чем быстрее будет крутиться этот цикл, тем продуктивнее будет компьютер. Частоту перехода от команды к команде определяет тактовый генератор, выдающий электрические импульсы той или иной заданной частоты.

У архитектуры фон Неймана есть один известный минус, который состоит в том, что и данные, и программы-инструкции, описывающие то, что нужно сделать с данными, находятся в одной и той же памяти. И процессор либо собирает данные из памяти, либо манипулирует ими в соответствии с командой. Одновременно подгружать новые данные и обрабатывать их в рамках такой схемы нельзя. Из-за этого современным компьютерам, сколь бы быстры они ни были, трудно выполнять некоторые задачи, например, связанные с распознаванием изображений.

Пытаясь выйти за пределы архитектуры фон Неймана, специалисты по «электронным мозгам» обратились к мозгам настоящим. Как известно, нервная система работает благодаря колоссальному количеству нервных клеток, образующих контакты друг с другом - синапсы. Один и тот же нейрон образует связи со многими другими нейронами, учитывает при передаче сигналов «мнение» соседей, участвует сразу в нескольких нейронных контурах, рвёт старые синапсы, формирует новые и так далее. Несколько миллиардов нервных клеток как будто постоянно «дышат», образуя, усиливая, ослабляя и разрывая множество соединений-синапсов. Обрабатывая изображение, мозг работает параллельно, то есть разные нейроны занимаются разными фрагментами картинки, вместо того, чтобы последовательно, пиксель за пикселем, её прочёсывать, как это делает процессор. То же самое касается и других задач, не только визуальных.

Одна из успешных попыток воплощения мозга в железе сделана в исследовательской лаборатории IBM в рамках проекта Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics - SyNAPSE. Суть его сводится к созданию вычислительных ядер с чистого листа, которые смогли бы имитировать работу мозга. Каждое из них содержит «синапс» - память, «тело нейрона» - вычислительный блок и «аксон» - коммуникационный канал. Работая параллельно, большой массив таких ядер сможет обеспечить принципиально новые возможности вроде мгновенного распознавания сложных изображений, выявления связей между объектами, прогнозирования событий и так далее.

Если описать задачу очень грубо и с большим количеством приближений и допущений, то суть её в том, чтобы создать сверхмногоядерный процессор, в котором каждое ядро будет работать как нейрон. В статье в Science Дхармендра Модха и его коллеги описывают чип TrueNorth, состоящий из 4000 ядер, у каждого из которых есть 256 каналов ввода и 256 каналов вывода информации. Причём электрический сигнал покидает ядро только в том случае, если он превышает какое-то пороговое значение - подобно тому, как это происходит в живых нейронах. В целом на изготовление чипа ушло 5.4 миллиарда транзисторов, которые вместе имитируют 1 миллион нервных клеток и 256 миллионов межклеточных соединений. Соединения ядер внутри чипа, по словам авторов работы, имитируют нервные контуры мозга. Компьютер с таким чипом, к примеру, быстро и корректно отличает по фото просто человека от человека на велосипеде, а легковую машину от других транспортных средств. «Мозгоподобный» чип оказался не только более эффективным, чем стандартные процессоры, но и меньше нагревался при работе.

В дальнейшем конструкторы собираются и дальше начинять свой процессор транзисторами, чтобы сделать его ещё более похожим на мозг - напомним, что на данном этапе он имитирует работу 1 миллиона нейронов, тогда как в мозге их порядка 100 миллиардов. К слову, предпринимались попытки симулировать работу головного мозга с помощью традиционных микросхемных технологий, и самая масштабная из таких попыток воспроизводила 1.6 миллиарда нейронов и 8.87 триллионов синапсов, что соответствует коре мозга кошки. Для этого понадобился суперкомпьютер Blue Gene/P Dawn, насчитывающий 147456 процессоров и 144 тебибайт основной памяти. Иными словами, пока даже самым мощным вычислительным комплексам в мире не под силу воспроизвести тот потенциал, который в нас заложила природа. Но, возможно, с появлением «нейронных процессоров» ситуация начнёт меняться.

2001-2024 Лицензия CC BY-NC-ND Денис Полевой