Суперкомпьютер с миллионом ядер нарушает все правила

Спайковая (импульсная) нейронная сеть SpiNNaker имитирует человеческий мозг и может способствовать прорывам в области робототехники и здравоохранения.

Несмотря на все свои физические недостатки, человеческий мозг - это модель, которой компьютерные инженеры всегда стремились подражать: огромная вычислительная мощность, которая удивительно энергоэффективна и доступна в крошечном форм-факторе. Но в конце прошлого года, на бывшем металлургическом заводе в Манчестере одна машина стала самой близкой к искусственному человеческому мозгу.

Компьютер с 1 млн. ядер SpiNNaker - сокращение от Spiking Neural Network Architecture (архитектура импульсных нейронных сетей) - является кульминацией десятилетий работы и миллионов фунтов инвестиций. Результат: массивно параллельный суперкомпьютер, предназначенный для имитации работы человеческого мозга, который, как надеются, даст нейробиологам новое понимание того, как работает разум, и откроет новые возможности для медицинских исследований.

Генезис проекта лежит в конце 1990-х годов благодаря работе Стива Фербера (Steve Furber), ныне профессора компьютерной инженерии в Университете Манчестера.

«Я начинал задаваться вопросом, почему несмотря на то что процессоры стали намного быстрее, есть вещи, которые им трудно сделать, которые мы, люди, находим относительно легкими», - говорит Фербер. Он начал исследовать ассоциативные воспоминания и, пытаясь решить их трудности с неточными данными, обратил свое внимание на нейронные сети.

В 2005 году проект SpiNNaker получил грант, а инженерная группа проф. Фербера взяла биологический мозг в качестве своих компьютерных моделей. SpiNNaker теперь проживает в здании Килберн университета Манчестера, которое раньше использовалось для размещения мэйнфреймов в конце 1960-х и 1970-х годов.

Исторически сложность создания компьютеров, которые могли бы имитировать мозг, в значительной степени сводится к возможности подключения. Нейроны - нервные волокна, которые распространяются по всему телу и в основном заканчиваются в мозге. Каждый из них имеет тысячи входов и тысячи выходов. Вычислительные системы сталкиваются с чем-то подобным в аналогичном масштабе. «Было ясно, что большая проблема в построении вычислительных моделей биологических нейронных сетей связана со степенью связности, которую вы обнаружите в биологии», - говорит Фербер.
Чтобы построить систему, которая больше похожа на человеческий мозг, исследовательская группа создала новую систему на чипе. Архитектуры спайковых нейронных сетей берут свое начало от того, как нейроны работают в мозге: чтобы передавать сигнал от одного нейрона к другому, напряжение его мембраны должно меняться, и должен генерироваться так называемый потенциал действия. Потенциал действия преобразуется в импульс в спайковой нейронной сети.

Используя эту архитектуру, команда заявляет, что SpiNNaker нарушает правила, которым следуют традиционные суперкомпьютеры, потому что узлы обмениваются данными, используя эти простые сообщения – импульсы (спайки) - которые по своей природе ненадежны. «Этот разрыв с детерминизмом ставит новые задачи, но также дает возможность открыть новые мощные принципы массово параллельных вычислений», - говорят специалисты.

После достижения полумиллиона ядер в 2016 году в рамках проекта ЕС по человеческому мозгу, SpiNNAker недавно достиг одного миллиона, что позволяет ему выполнять два триллиона действий в секунду и моделировать действие 200 миллионов нейронов в режиме реального времени.

«SpiNNaker чрезвычайно гибок - все модели, которые мы используем для нейронов и синапсов, являются маленькими кусочками программного кода. Если бы вы превратили их в аппаратные средства, они были бы меньше и эффективнее, но причина, по которой мы используем программное обеспечение, заключается в том, что нет реального соглашения, что правильная модель такова, и разные области мозга, вероятно, нуждаются в разных моделях, а программное обеспечение дает нам гибкость», - говорит проф. Фербер.

Спайковые нейронные сети инспирированы мозгом. Также есть надежда, что они, в свою очередь, могут пролить больше света на орган, который они моделируют. Это потому, что спайковая нейронная сеть генерирует импульсы так же, как это делают настоящие нейроны, и передает информацию таким же образом.

Например, система SpiNNAker уже использовалась для моделирования базальных ганглиев, набора структур в мозге, который помогает с выбором схемы движения, - когда вы решаете подойти к стулу, а затем сесть, это базальные ганглии, которые посылают схему движения ногам, запускают их работу, останавливает их, когда достигнете кресла, и вместо этого отправляет схему сидения на нижнюю часть тела. Есть надежда, что, моделируя базальные ганглии, нейробиологи получат лучшее понимание того, что они делают, и как они это делают.

И это еще не все: более грандиозные амбиции заключаются в том, что SpiNNaker можно использовать для понимания работы коры - внешнего слоя мозга, который играет критическую роль в более высоких функциях, таких как речь и принятие решений. Система используется для моделирования кортикальных микроколонок, групп нейронов, которые проходят через кору.

SpiNNaker также может быть полезен в индустрии робототехники - будь то роботы реальные или виртуальные. Проект Human Brain Project, частью которого является SpiNNaker, разрабатывает виртуальную робототехническую среду, которую Университет Манчестера устанавливает на своих серверах.

Это означает, что пользователи со всего мира могут настроить модель робота и привязать ее к своей интеллектуальной сети в SpiNNaker, говорит проф. Фербер, что позволяет им наблюдать за его поведением и управлять им удаленно через Интернет.

При высокой мощности энергопотребление может достигать пика в 100 кВт, но обычно оно в районе 1-2 кВт.

SpiNNaker занимает 11 19-дюймовых стоечных шкафов, что составляет машину длиной около 5 м, высотой 2 м и глубиной 1 м. В настоящее время он моделирует один процент человеческого мозга, поэтому система SpiNNaker, которая может дать роботу познание на уровне человека, потребует чего-то вроде инженерного чуда.

«Нет никакого смысла думать, что это технология, которая приведет к шагающему говорящему и интеллектуальному роботу из научной фантастик, - говорит проф. Фербер, - потому что ему понадобится голова размером с авиационный ангар и прикрепленная к ней атомная электростанция».

Так что тем, кто обеспокоен, что интеллектуальные вычисления могут превратить SpiNNaker в разумный компьютер, вероятно, не стоит слишком бояться, по крайней мере, пока.