Simulace části mozku pomocí milionu procesorů ARM

Karel Javůrek  |  Věda

Projekt SpiNNaker chce simulovat část lidského mozku a prozkoumat chování většího počtu neuronů v rámci sítě. Bude k tomu potřeba milion procesorů ARM.

„Není nemožné vytvořit lidský mozek, dokážeme to do deseti let.“ Tak se v roce 2009 vyjádřil Henry Markram, vedoucí projektu Blue Brain, který má za cíl simulovat biologické neurony a neuronovou síť pomocí softwaru Neuron.

Podobných projektů je na světě několik, včetně různých odnoží, které se specializují na různé části mozku a chování jeho menších sekcí. Svůj projekt má i vývojář procesoru s architekturou ARM, která je teď tou nejúspěšnější platformou na poli mobilních zařízení.

Masivně paralelní systém od tvůrce procesoru ARM

Steve Furber se od roku 1980 až do roku 1990 staral o vývoj a návrh 32bitových procesorů ARM ve společnosti Acorn. Poté se stal profesorem a věnoval se výzkumným projektům. Od roku 2003 se zabývá výpočetními systémy, které jsou založeny na biologických principech.

Jeho současným cílem je hardwarový systém, který by v reálném čase a v plné rychlosti pracoval jako umělá neuronová síť. Projekt nese název SpiNNaker. Steve Furber se s dalšími pomocníky snaží vytvořit masivně paralelní systém založený na úsporných procesorech ARM.

Platforma však nebude fungovat tak jako dnešní počítače. Systém by měl totiž být asynchronní a rozdělený na segmenty. Jedno výpočetní jádro procesoru ARM je schopné v určité konfiguraci velmi dobře simulovat přibližně tisíc neuronů. Se systémem, který by obsahoval celkem milion takových procesorových jader, by tak bylo možné simulovat s reálnou rychlostí miliardu neuronů.

Dle odhadů má lidský mozek přibližně 80 až 90 miliard neuronů, výsledkem by tak byla simulace pouze jednoho procenta mozku. I to by však stačilo na bližší zkoumání chování velkého počtu neuronů, které jsou vzájemně propojeny.

Komunikace mezi neurony probíhají v řádu milisekund, stejné rychlosti chce dosáhnout i umělá neuronová síť. Hlavním důvodem použití procesorů ARM je jejich nízká spotřeba a tím pádem i vysoká efektivita v poměru výkonu a spotřeby. Podle oficiálního dokumentu k tomuto projektu, ve kterém jsme našli i obrázky k tomuto článku, je schopno dvacet ARM jader poskytnout stejný výkon jako dnešní nejvýkonnější procesory. Přičemž celková spotřeba jader ARM je výrazně nižší a výkon za jeden watt tak mnohem lepší.

Odolný proti poškození

Každou sekundu v našem mozku odumírají neurony a nové vznikají. Přesto mozek pracuje stále stejně a poškozování nejsme schopni postřehnout. Na podobném systému je postaven i internet, který je tvořen miliardami počítačů po celém světě. Poškozením jednotlivých serverů nebude ohrožen celek, maximálně jedna menší část, přičemž komunikaci lze v případě potřeby přesměrovat přes jiné a funkční části.

Podobně bude fungovat i SpiNNaker. Jednotlivé části budou sice propojené, ale zároveň nezávislé a schopné poradit si s různými chybami v přenosu a s poškozením v určitém rozsahu. Systém nemá žádné hodiny, podle kterých by byly všechny části synchronizovány, místo toho jde o distribuovanou kontrolu a komunikaci v rámci kanálů.

Různé části tak mohou pracovat na jiné frekvenci, s jiným napětím a dalším nastavením, nezávisle na ostatních částech. Zde se opět kopíruje funkčnost mozku, který je také rozdělen nejen na hlavní dvě části (pravá a levá hemisféra), ale také na spousty dalších menších, které se specializují na konkrétní úlohy výpočtů. Jedná se například o zpracování obrazu, emocí, paměti, koordinace pohybů a svalstva, jazykové centrum a další.

NoC – Network On Chip

Tým, který má projekt SpiNNaker na starost, již navrhnul procesor se čtyřmi až osmi jádry ARM968E-S, které jsou zatím ve fázi simulace. To je však pouze začátek. Furber chce dosáhnout přibližně dvaceti jader na jednom kusu křemíku, přičemž jedno z dvaceti jader bude fungovat jako monitorovací a schopné komunikace s řídicími částmi. Ostatních devatenáct jader se bude starat o simulaci neuronů.

Všechna jádra mají sdílené prostředky, ke kterým mohou dle potřeby přistupovat – paměť, síťové rozhraní a další. Díky tomu může každý neuron velmi rychle vyslat signál do jiného neuronu v rámci celého systému, přibližně do jedné milisekundy, podobně jako u mozku.

Za deset let nás čeká odpověď

Vědci z IBM již dokázali částečně simulovat kočičí mozek. Ale pouze softwarově, tedy velmi nízkou rychlostí, která se nedá s reálným světem porovnat (100× až 1 000× pomaleji). Pro vysokou rychlost, která by se vyrovnala té reálné, je potřeba přenést logické funkce neuronové sítě přímo do hardwaru.

Dle všech indicií by se tak mělo stát přibližně v roce 2020, kdy budou k dispozici nejen nové technologie pamětí, ale i výkonné a úsporné čipy s mnoha jádry. Budou pravděpodobně fungovat na mnohem pokročilejších principech, než ty současné.

Podívejte se na zajímavou přednášku TED o lidském mozku (anglicky, se slovenskými titulky):

Vše se odvíjí od výkonu a efektivity, ale tyto hodnoty se stále zvyšují a to exponenciálně. Podle IBM budeme mít v roce 2020 výkon, který bude stačit na reálnou simulaci jednoho lidského mozku. S rostoucím rozvojem ale v roce 2030 zvládneme „simulovat“ tisíc takových mozků a za dalších deset let tedy přibližně milion. Otázkou je, jestli se ještě bude jednat o simulaci, nebo o nový druh inteligence.

Nejčtenější