`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

На пути к созданию когнитивного компьютера

Статья опубликована в №45 (711) от 15 декабря

+66
голосов

На прошедшей в Портленде (штат Орегон) Supercomputing Conference'09 IBM заявила о существенном прогрессе в создании вычислительной системы, которая симулирует и эмулирует способность мозга чувствовать, воспринимать, действовать, взаимодействовать и познавать и при этом сравнима с мозгом по низкому энергопотреблению и размерам.

На пути к созданию когнитивного компьютера
BlueMatter – новый алгоритм, созданный IBM Research в сотрудничестве со Стэнфордским университетом, использует суперкомпьютерную архитектуру BlueGene для неинвазивного измерения и отображения связей между всеми локусами коры и подкорки в мозге человека с помощью диффузной спектральной томографии

Крупномасштабная симуляция деятельности коры головного мозга – новое междисциплинарное направление, объединяющее вычислительную неврологию, методологию симуляции и суперкомпьютеры. В области создания когнитивного компьютера, работающего аналогично мозгу, симуляция коры является крайне важной технологией для проверки гипотез о его структуре, динамике и функциях.

Команда по компьютерному моделированию процессов познания, возглавляемая IBM Research, достигла значительных успехов в крупномасштабной симуляции коры головного мозга и создании нового алгоритма, который синтезирует нейрологические данные – два краеугольных камня, указывающих на возможность разработки когнитивного чипа.

Прежде чем перейти к подробностям проекта, приведем ряд основных сведений из нейрофизиологии и нейроанатомии, необходимые для лучшего понимания проделанной работы.

Вычислительным строительным блоком мозга является нейрон – клетка, специализированная на непрерывной интеграции входных и генерировании выходных сигналов как результата этого интеграционного процесса. Термин был введен еще в 1891 г. Хайнрихом фон Вальдейером-Харцем (Heinrich von Waldeyer-Hartz) для описания дискретных узлов обработки информации в мозге. Каждый нейрон получает входные сигналы от тысяч других через дендриты и, в свою очередь, связывается с тысячами других нейронов посредством аксонов. Точка контакта между аксоном одного нейрона и дендритом другого получила название синапс – термин ввел сэр Чарлз Шеррингтон (Charles Sherrington) в 1897 г. По отношению к синапсу два связанных нейрона называются соответственно пресинаптическим и постсинаптическим. Когда синапс активируется, он вызывает изменение напряжения в мембране клетки постсинаптического нейрона, именуемое мембранным потенциалом. Если некоторое событие, такое как входной стимул, вызывает активность синапса, достаточную, чтобы увеличить мембранный потенциал постсинаптического нейрона выше определенного порога, нейрон возбудится и пошлет импульс по аксону. Все синапсы, с которыми этот аксон контактирует, также активируются после аксональной задержки проводимости. Нейроны могут находиться в фазе либо возбуждения, повышая мембранный потенциал связанных с ними нейронов, либо торможения, понижая его.

Боóльшая часть синапсов являются пластичными, т. е. способными изменять силу связи между двумя нейронами. Синаптическое обучение подчиняется постулату Дональда Хэбба (Donald Hebb): нейроны, которые возбуждаются вместе, связываются вместе. Примером может служить известный опыт Павлова по выработке условного рефлекса, когда звук колокольчика вызывает у подопытной собаки слюноотделение. Синаптическая пластичность позволяет сетям нейронов выделять, кодировать и сохранять пространственно-временныóе инварианты из окружения.

Кора головного мозга человека представляет собой большой слой нейронов толщиной несколько миллиметров и площадью поверхности около 2500 см2. По оценкам, количество нейронов в участке коры площадью 1 мм2 составляет около 92 тыс.

На пути к созданию когнитивного компьютера
Суперкомпьютер Blue Gene/P, на котором симулировалась кора головного мозга

Кора делится на множество областей, каждая из которых демонстрирует определенную функциональную специализацию и набор связей с другими областями. Она имеет слоистую структуру и насчитывает шесть слоев. Полагают, что четвертый слой является для входных сигналов основным, передавая информацию второму и третьему, а те, в свою очередь, передают активность пятому и шестому, откуда сигналы направляются наружу. По всей коре нейроны организуются в повторяющиеся функциональные блоки, называемые гиперколоннами и располагающиеся перпендикулярно поверхности коры. Их диаметр – около 200–800 мкм, и они пронизывают все кортикальные уровни.

Ученые из IBM Research в сотрудничестве с коллегами из Лоуренсовской национальной лаборатории выполнили первую практически в режиме реального времени симуляцию деятельности головного мозга человека, которая превышает по размеру кору мозга кошки и содержит 1 млрд импульсных нейронов и 10 трлн индивидуальных обучающихся синапсов.

Для этого команда построила симулятор коры, вобравший в себя ряд инноваций из области компьютерной памяти, коммуникаций, а также тонкие биологические детали из нейрофизиологии и нейроанатомии. Он был выполнен на суперкомпьютере Blue Gene/P, содержащем 147 456 процессоров и 144 ТБ оперативной памяти.

Этот научный инструмент, близкий по сложности к линейному ускорителю или электронному микроскопу, должен сыграть особую роль при проверке гипотез о структуре мозга, его динамике и функции.

Дополнительно (в сотрудничестве с исследователями из Стэнфордского университета), ученые IBM создали алгоритм, названный BlueMatter, который использует суперкомпьютерную архитектуру Blue Gene для неинвазивного измерения и отображения связей между всеми кортикальными и подкорковыми локусами в человеческом мозге при помощи диффузной спектральной томографии. Отображение диаграммы связей мозга является крайне важным для распутывания его сложной коммуникационной сети и понимания того, как он представляет и обрабатывает информацию.

Данные разработки предоставят уникальную возможность для изучения вычислительной динамики мозга и приблизят команду к поставленной цели – построению компактного синаптронного чипа, используя нанотехнологии и достижения в области памяти с изменением фазы и магнитного туннельного перехода. Выполненная работа может разрушить парадигму фоннеймановских вычислений.

Алгоритм совместно с кортикальным симулятором позволил ученым проводить эксперименты с различными математическими гипотезами относительно структуры и функции мозга.

После успешного завершения нулевой фазы IBM и ее университетские партнеры получили недавно дополнительный грант 16,1 млн долл. от DARPA для выполнения фазы 1 проекта Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics (SyNAPSE). Этот этап исследований будет сосредоточен на компонентах мозгообразной архитектуры и симуляциях с тем, чтобы построить прототип чипа. Долгосрочная миссия инициативы IBM по когнитивным вычислениям заключается в том, чтобы открыть и продемонстрировать алгоритмы работы мозга и в итоге создать маломощный компактный когнитивный компьютер, приближающийся по интеллекту к млекопитающим. Цель SyNAPSE, уточняет менеджер программы Тодд Хилтон (Todd Hylton), состоит в разработке нового электронного оборудования и архитектуры, которые могут понимать, адаптировать и отвечать информационному окружению способами, превышающими потенциал обычных вычислений и включающими фундаментально отличные возможности, обнаруженные в биологическом мозге.

Современные вычисления базируются на модели хранимой программы, традиционно реализуемой в цифровых синхронных последовательных централизованных схемах общего назначения с явной адресацией памяти, которая без разбора перезаписывает данные и создает границу между вычислениями и данными. В отличие от этого когнитивные вычисления, подобные тем, что выполняет мозг, будут использовать повторяемые вычислительные блоки, нейроны и синапсы, реализуемые в смешанных аналого-цифровых асинхронных параллельных распределенных реконфигурируемых специализированных и отказоустойчивых биологических субстратах с неявной адресацией памяти, которая обновляется только при изменении информации, размывая границы между вычислениями и данными.

+66
голосов

Напечатать Отправить другу

Читайте также

очень интересно

а можно ли кратко определить понятия "когнитивный компьютер", "когнитивные вычисления" и другие когнитивные термины?

Когнитивность можно определить как способность к восприятию и переработке информации.

а как будем именовать остальные "некогнитивные" компьютеры?
они ведь перерабатывют информацию? не знаю что именно мы подразумераем под "воспринимают" - может именно это есть отличие?
значит ли это, что остальные компьютеры "не воспринимают"?

Речь идет о восприятии и обработке аналогично тому, как это делает мозг

Правильнее говорить, что не существует единого определения слова "воспринимать" более того, совершенно неясно как мозг это делает.

Попытки же определить термин через другие неопределённые термины - это сродни переливанию из пустого в порожнее.

почитал про когнитивный компьютер ещё тут itc.ua/node/1808/ (18 августа 1999) - увлекает, но вопрос так и остался "А есть ли мальчик?"

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT