Новые чипы закладывают фундамент для создания масштабной системы, которая будет объединять 10 млрд нейронов и 100 трлн синапсов, имея при этом размеры и энергопотребление, вполне сравнимые с аналогичными характеристиками человеческого мозга
Новые чипы закладывают фундамент для создания масштабной системы, которая будет объединять 10 млрд нейронов и 100 трлн синапсов, имея при этом размеры и энергопотребление, вполне сравнимые с аналогичными характеристиками человеческого мозга

«Новые чипы позволят компьютерам будущего принимать разумные решения за счет упорядочения и анализа огромных объемов данных, – сообщил руководитель проекта IBM Research Дхармендра Модха. – Это аналогично процессу сбора информации и обработки цепочки событий человеческим мозгом. Экспериментальные чипы и модели нейронных систем имитируют структуру и характер функционирования мозга за счет использования самых современных электронных схем и алгоритмов".

«Мы надеемся, что обратное проектирование деятельности мозга и воплощение полученных результатов в электронном виде помогут нам ускорить создание компьютерных устройств, управляемых событиями, обладающих высоким уровнем параллелизма и отличающихся низким энергопотреблением. Новые машины будут серьезно отличаться от нынешних компьютеров, которым для получения результата необходимы программы, вручную написанные человеком, — добавил Модха. — Сегодняшним компьютерам присущ ряд фундаментальных ограничений, преодолеть которые не представляется возможным. Ведь тактовую частоту нельзя увеличивать бесконечно. А вычислительные возможности мозга поистине безграничны».

Подобно мозгу, экспериментальные чипы IBM могут динамически обрабатывать сигналы, поступающие от органов чувств, реагируя на свет, звук, вкус, запах, прикосновения или другие источники информации (например, сведения о погоде или запасах воды). Чипы позволят сформировать шаблоны на основе вероятностных и ассоциативных связей. Причем по компактности и уровню энергопотребления такие чипы вполне в состоянии соперничать с человеческим мозгом.

«Сегодня мы посеяли семена новой архитектуры, которые помогут нам еще эффективнее стирать грань между физическим и цифровым миром», – подчеркнул Модха.

Компьютеры, основанные на новых чипах, способны предупреждать о цунами, анализируя данные о температуре, давлении, высоте волн и океанском приливе. Их когнитивные функции позволят выявлять в магазинах испорченные продукты и обеспечат улучшенное взаимодействие смартфонов с окружающей средой.

В ходе реализации проекта исследователям из IBM и их партнерам уже удалось решить ряд задач, связанных с нахождением пути в лабиринте, игрой в Pong и распознаванием шаблонов данных. В ближайшей перспективе разработчики надеются улучшить распознавание изображений в видео.

В IBM изготовили два прототипа, выполненных в соответствии с проектной нормой 45 нм. Чипы, изготавливаемые с использованием традиционного технопроцесса, воспроизводят нейроны и синапсы мозга при помощи интегрированной памяти, вычислительных блоков и коммуникаций между ними. В экспериментальных микросхемах присутствуют те же транзисторы, что и в сегодняшних микропроцессорах, но соединения между ними организованы по-другому.

«Цифровые нейроны» выполняют роль процессорных элементов с низким энергопотреблением, а синапсы формируют связи между нейронами. Нейроны и синапсы образуют массивы с коммутируемыми соединениями. Инфраструктура коммуникаций поддерживает обмен данными между нейронами в реальном времени. Нейроны помнят ранее выполненные действия, а синапсы запоминают те нейроны, которые были связаны с ними.

Чипы включают в себя 256 «цифровых нейронов», работающих на низкой частоте 10 МГц и постоянно пересылающих данные друг другу. Одно ядро содержит 262 144 программируемых синапса, а в остальных находятся 65 536 «обучаемых» синапсов. Как и внутри мозга, синапсы образуют связи между цифровыми нейронами, и чем чаще сигнал посылается в синапс, тем устойчивее будет соединение.

"Для реализации функционала подобного рода современные компьютеры можно оборудовать множеством процессорных элементов, – отметил Модха. – Узким местом здесь являются шины, разделяющие процессорные элементы, а поскольку данные накапливаются, необходимо увеличивать тактовую частоту ядер. Функциональность чипа можно смоделировать и на современных компьютерах. Но, поскольку компьютеры, которые мы имеем на сегодняшний день, не похожи на мозг, платой за это станет увеличение мощности и объема».

Созданные в IBM прототипы представляют собой упрощенную модель человеческого мозга, обладающую миллиардами нейронов и триллионами синапсов. Новые чипы закладывают фундамент для создания масштабной системы, которая будет объединять 10 млрд нейронов и 100 трлн синапсов, имея при этом размеры и энергопотребление, вполне сравнимые с аналогичными характеристиками человеческого мозга. Трудно сказать, когда конкретно будут созданы такие машины, но результаты проведенных исследований несомненно изменят подходы к построению компьютеров.

Для выполнения необходимых операций чипы, моделирующие человеческий мозг, должны уметь выходить «за привычные рамки». В связи с этим возникает вопрос, насколько интеллектуальной является подобная система. По словам разработчиков, чипы предназначены для имитации деятельности мозга, а цифровые нейроны будут обрабатывать достаточно широкий диапазон входных сигналов, адекватно реагируя на возникновение самых разных ситуаций.

Корпорация IBM вместе со своими партнерами разрабатывала чипы в рамках многолетнего исследовательского проекта Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics (SyNAPSE), ориентированного на когнитивные вычисления. Новая платформа будет создаваться с использованием современных достижений нейробиологии, нанотехнологий и суперкомпьютерной отрасли.

В качестве партнеров IBM при реализации этого проекта выступают Колумбийский университет, Университет Корнелла, Калифорнийский университет в Мерседе и Университет штата Висконсин. Недавно было объявлено, что IBM и партнеры корпорации получили дополнительное финансирование проекта в размере 21 млн долл. от DARPA, агентства перспективных оборонных исследований Министерства обороны США.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями