Суперкомпьютеры, способные совершать триллионы математических операций в секунду, занимают гигантские помещения, а потребляемая мощность их сравнима с небольшим заводом. Мозг человека, предназначенный для тех же задач, имеет объем в пару литров и потребляет энергии меньше слабенькой лампочки. Так почему бы не создать компьютер, основанный на принципах работы мозга?
С момента появления первого микропроцессора в 1971 году тактовые частоты увеличились на три порядка. «Некоторые склонны рассматривать это как эволюцию в области компьютерных технологий, но ее направление явно расходится с эволюцией биологического мозга, — говорит Дхармендра Модха, директор по науке подразделения Cognitive Computing лаборатории IBM Research в Алмадене. — Тактовые частоты современных компьютеров выше, чем у мозга, в сто миллионов раз, но и удельный расход энергии (на логический элемент) у них в десять тысяч раз больше. При попытке же полномасштабного моделирования функционирования мозга со 100 трлн синапсами все выглядит еще печальнее: даже при использовании Sequoia, одного из самых производительных суперкомпьютеров мира, основанного на архитектуре IBM Blue Gene/Q, функционирование структуры можно воссоздать не в реальном времени, а на скорости в 1500 раз медленнее.
И это при том, что Sequoia состоит из 96 стоек, занимает площадь в 300 м2 и имеет потребляемую мощность около 8 МВт. А чтобы «догнать» мозг, нужен гипотетический компьютер, потребляющий около 12 ГВт! Для сравнения: потребляемая мощность человеческого мозга составляет около 20 Вт. Столь большая разница объясняется двумя факторами: технологией и архитектурой. Человеческий мозг использует в качестве элементной базы органические нейроны, а микропроцессоры — неорганические кремниевые транзисторы. Но с этим пока ничего сделать невозможно, и мы решили сосредоточиться на втором факторе — архитектуре».
Учись сам!
Параметры нейронов и синапсов процессора TrueNorth требуется заранее конфигурировать. По словам Билла Риска, такое решение было принято сознательно, чтобы уменьшить вероятность ошибок и снизить сложность разработки многоядерного чипа на первых этапах. Тем не менее на одной из следующих фаз разработчики планируют сделать процессор «самообучаемым»: конфигурация нейронов и синапсов будет меняться в зависимости от внешних сигналов и результатов их обработки в реальном времени.
Ключевая разница
Все современные компьютеры построены по так называемой архитектуре фон Неймана, которая предусматривает наличие процессора и памяти, в которой хранятся данные и логические инструкции по их обработке — программы. Обмен данными между процессором и памятью осуществляется по специальному каналу, который является самым узким местом, ограничивающим производительность такой системы. Операции выполняются последовательно, дирижируют ими внутренние часы (тактовый генератор), и чем больше частота тактов, тем быстрее выполняется обработка данных. И тем выше энергопотребление процессора.
Второе поколение нейросинаптических чипов – плод восьми лет труда группы разработчиков IBM Research, а также многих других исследовательских центров и ведущих университетов. Потребление энергии чипа с 256 миллионами синапсов составляет 0,1 Вт. В перспективе – компьютер, содержащий 1 трлн синапсов с потреблением 4 кВт.
Биологический мозг устроен совершенно по-другому. Основная задача, для которой эволюция путем проб и ошибок создала эту сложную нервную структуру, — обработка большого количества сенсорных сигналов и выдача в ответ на эти сигналы сложных команд. Мозг состоит из множества нервных клеток (нейронов), образующих между собой межклеточные соединения — синапсы. Для такой структуры не существует разделения на «процессор» и «память», язык мозга — это импульсы возбуждения, передаваемые от одного нейрона к другим с помощью синапсов, а инструкции и данные кодируются динамической структурой связей. Такая обработка данных происходит параллельно, то есть не требует высоких тактовых частот внутренних часов, а это означает, что по энергоэффективности такая система не имеет себе равных, на много порядков превосходя самые лучшие изделия рук человеческих.
Ключевые отличия
Традиционные процессоры базируются на архитектуре фон Неймана и работают под управлением тактового генератора (то есть на протяжении всего времени). Нейросинаптические процессоры, как нейроны мозга, управляются потоком событий, и потому работают только малую часть времени. Это снижает энергопотребление на несколько порядков.
Синаптическая задача
В 2006 году в исследовательском подразделении IBM задумались над вопросом, нельзя ли построить компьютер, отступив от архитектуры фон Неймана и взяв за образец принципы построения биологического мозга. Это послужило толчком к появлению в 2008 году проекта с говорящим именем SyNAPSE, финансируемого агентством передовых оборонных разработок DARPA.