Neuromorfické čipy překonají neměnné procesory

Karel Javůrek  |  Technika

Klasické procesory v počítačích i mobilních zařízení fungují přesně tak, jak byly vyrobeny. Nedokáží se přizpůsobit a být efektivnější dle potřeby. To se ale změní.

Pokud si dnes koupíte počítač nebo jakékoli mobilní zařízení, je vybaveno nějakým druhem čipu, který je schopen provádět logické operace a díky těmto výpočtům tak zpracovává potřebné úkoly s určitou rychlostí a efektivitou.

Problémem ale je, že jsou tyto čipy v rámci konstrukce neměnné a nedokáží zlepšovat svůj výkon a efektivitu dle potřeby a konkrétních úloh, které se samozřejmě liší dle použití, a to i v čase. Řešením jsou konfigurovatelné čipy, které již nejsou založeny na standardní neměnné konstrukci tranzistorů.

Design po vzoru mozku

Základní jednotky mozku – neurony, synapse a jejich propojení, tvoří jako celek programovatelný systém, který je schopen se přizpůsobovat dle dodávaných dat, které dokáže při opakování zpracovávat stále rychleji a efektivněji.

A právě napodobit tento systém se snaží neuromorfický design, který je nejen coby testovací software běžící na neměnných standardních čipech, ale i skutečný hardware, který dokáže být o řády výkonnější.

Jeden z těchto systémů vyvíjí i laboratoř v Heidelbergově univerzitě v Německu pod vedením profesora Karlheinze Meiera. Testovací prototyp čipu s označením Spikey simuluje chování 400 neuronů. Podobně jako u neuronů, které pomocí synapsí dokáží měnit svůj odpor k propuštění signálů.

Neuromorfický čip Spikey. Zdroj: facets.kip.uni-heidelberg.de
Neuromorfický čip Spikey. Zdroj: facets.kip.uni-heidelberg.de

Jednotlivé spoje mezi simulovanými neurony taktéž nepracují pouze se dvěma hodnotami jako je 0 a 1 (digitální), ale v rámci propuštění různé úrovně napětí (analogové) posilují či zeslabují a tím mění samotné spojení mezi jednotlivými částmi. Pokud je tedy určitý spoj velmi často používán, dochází k jeho zesílení.

Čip Spikey a jeho konstrukce. Zdroj: facets.kip.uni-heidelberg.de
Čip Spikey a jeho konstrukce. Zdroj: facets.kip.uni-heidelberg.de

Tento systém vědci používají pro běh umělých neuronových sítí, které fungují podobné jako ty klasické v organismech. Dynamická adaptace dle vstupních dat je základem, který postupně mění funkčnost a výkon dané neuronové sítě.

Výpočet i uložení v jedné univerzální části

Neuromorfický systém je založen na univerzálních částech, stejně jako mozek, kde se těchto částí nachází stovky miliard. Není rozdíl v části, která slouží pro uložení a částí, která slouží pro výpočet (zpracování), díky čemuž lze velmi snadno nahradit případné vadné části spousty jinými, byť za cenu chvilkového nižšího výkonu.

S poškozením částí je totiž nutné počítat u jakéhokoli materiálu, děje se to nejen u organických látek, ale i například křemíku a podobně. Čip Spikey obsahuje pouze 400 simulovaných neuronů, cílem je ale samozřejmě dosáhnout mnohem většího počtu a simulovat tak větší části mozku a tedy i náročnější úlohy.

O zvýšení počtu částí na 200 000 v hardwarovém pojetí se snaží projekt BrainScaleS, který už úspěšně vyrobil na waferu první testovací vzorky. V plánu je pokročení složitosti na takovou úroveň, že přibližně v roce 2014 bude čip schopen plně simulovat mozkovou kůru myši.

Pak už přijde poměrné snadné škálování v podobě propojení několika takových čipů a dosáhnutí dostatečného výkonu se simulací jednoho milionu neuronů.

Neuronovým čipům a neuromorfickým čipům se věnují i vědci z Neuromorphics Lab s Bostonu. Nejedná se tak o výzkum jednoho týmu, ale několika po celém světě, takže vývoj jde poměrně rychle kupředu. Jedním ze známých je například i SyNAPSE sponzorovaný od DARPA. Za zmínku také jistě stojí nový úspěšný výzkum neuromorfického hardware na bázi magnetů nebo projekt Neurogrid a Neurocore od týmů ze Stanfordské univerzity.

Nejdříve architektura, poté revoluční změna

Představení zmíněných čipů pracujících na stejném principu jako mozek coby náhrada stávajících čipů, je sice daleko, ale k přechodu musí jednou dojít. Důležitý je hlavní stavební kámen, základní část, kterou lze nazývat třeba jako „neuristor“, který může být složen z memristoru a memkapacitoru, nových základních prvků.

Po objevení té správné části nastupuje samotná architektura čipu, která musí být optimální a efektivní ve všech směrech a jak je vidět, projektů v této oblasti je opravdu hodně.

Po dosažení prvních výzkumných čipů, které budou schopné poskytovat lepší vlastnosti než klasické čipy, čeká ještě vývoj přechod na sériovou výrobu a úprava výrobních technologií, které budou pravděpodobně obsahovat i nové materiály.

Pokud půjde vše podle plánů, mohli bychom se takových čipů dočkat ještě v tomto desetiletí, což by mohlo zásadně změnit fungování současných zařízení a systémů, které jsou na bázi umělé inteligence založeny.

Zvyšování efektivity a dynamické přizpůsobení znamená, že s takovým univerzálním čipem budete například moci provádět vaše konkrétní úlohy stále rychleji. Zaměření a změna čipu přitom bude jiná u každého uživatele, který bude provádět jiné úlohy – pro jednoduchou představu, jeden může rychleji převádět video, zatímco jiný zase bude efektivněji prohlížet video a spouštět programy s velmi nízkou spotřebou.

Zcela nová generace takových čipů tedy bude přizpůsobitelná každému uživateli a úlohám, při kterých bude efektivnější v poměru spotřeby energie a výkonu (rychlosti).

A jak to dopadne, když pomocí takových čipů budou založeny celé superpočítače a datacentra? Začne to být skutečně zajímavé a simulace celého mozku nebude problém. Alespoň kolem roku 2020 to předpovídá i samotné IBM.

Nejčtenější