В IBM собрали чип, имитирующий работу 1 млн нейронов и 256 млн 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.  

Чип TrueNorth, имитирующий миллион нейронов. (Фото IBM Research).

По сравнению с обычным процессором (справа), чип TrueNorth почти не греется. (Фото IBM Research).

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 т. д. и т. п. 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 SyNAPSE (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics). 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 т. д.

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 (Dharmendra S. Modha) и его коллеги описывают чип TrueNorth, состоящий из 4 000 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 млрд транзисторов, которые вместе имитируют 1 млн нервных клеток и 256 млн 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 млн нейронов, тогда как в мозге их порядка 100 млрд. К слову, предпринимались попытки симулировать работу головного мозга с помощью традиционных микросхемных технологий, и самая масштабная из таких попыток воспроизводила 1,6 млрд нейронов и 8,87 трлн синапсов, что соответствует коре мозга кошки. Для этого понадобился суперкомпьютер Blue Gene/P Dawn, насчитывающий 147 456 процессоров и 144 Тб 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.

По материалам LiveScience.