captcha

Jūsų klausimas priimtas

Neuromorfiniai procesai, arba Bandymai kopijuoti gamtą

Namų kompiuteris yra vienas iš nedaugelių prietaisų, labiausiai prisidedančių prie elektros energijos sąskaitų. Užtenka pasižvalgyti po kompiuterinių blokų galias: nuo 500 W iki 1 200 W! Beveik kaip daugiau nei dešimčiai minučių įjungtas lygintuvas.
Sipa USA/Scanpix nuotr.
Sipa USA/Scanpix nuotr.

Namų kompiuteris yra vienas iš nedaugelių prietaisų, labiausiai prisidedančių prie elektros energijos sąskaitų. Užtenka pasižvalgyti po kompiuterinių blokų galias: nuo 500 W iki 1 200 W! Beveik kaip daugiau nei dešimčiai minučių įjungtas lygintuvas.

Galingiausiems žmonijos superkompiuteriams prireikia vos ne individualios jėgainės, bet vis tiek jų skaičiuojamoji galia tėra sulyginama su pelės protu. Ką bekalbėti apie žmogaus protą!

Mums prireiktų net 110 000 galingiausių superkompiuterių vien tam, kad galėtume sumodeliuoti žmogaus proto veiklą, o visus šiuos superkompiuterius turėtų aprūpinti elektros energija net 860 atominių jėgainių blokai! Akivaizdu, jog dabartiniai kompiuteriai yra neįtikėtinai neefektyvus, jei juos tenka lyginti su gamtos kūriniais.

Žmonių gaminamų mikroprocesorių šilumos tankis yra beveik kaip branduolinių reaktorių.

Nuo kompiuterių ir mikroprocesorių atsiradimo jų sparta, našumas, taktinis dažnis bei suvartojama elektros galia augo eksponentiškai. Tiesą pasakius, eksponentė yra vos ne mūsų civilizacijos pagrindas: ekonomikos, kainos, indeliai, gavyba ir vartojimas – viskas auga kone eksponentiškai.

Kompiuterijoje ir technologijose taip pat galioja ta pati eksponentė, kuri turi tose srityse tiek daug skirtingų pavadinimų: Muro, Denardo, Kumio dėsniai. Kartu su teigiamais ir mums visiems naudingais apsektais šis augimas turi ir neišvengiamų neigiamų. Roko dėsnis teigia, kad naujos mikroprocesorių gamyklos statybos kaštai dvigubėja kas 4 metus. Mikroprocesorių elektros energijos sąnaudos taip pat eksponentiškai auga.

Mikročipams tampant vis mažesniais ir mažesniais, išskiriamos šilumos tankis taip pat auga. Jei iki 1995 metų procesoriai buvo tokie pat karšti kaip 100 W lemputė, tuomet 2000 metais jie jau pasiekė geros keptuvės karštį, o 2005 metais sustojo ties branduolinio reaktoriaus šiluminiu tankiu! Nieko nuostabaus, kad ant mažyčio „Intel Pentium 4“ procesoriaus entuziastai gamino itališkus makaronus.

Procesoriai veikia neįtikėtinai dideliais dažniais, bet suvartoja atitinkamai daugiau elektros energijos.

Nuo 1971 metų, kuomet atsirado pirmieji mikroprocesoriai, jų dažnis nenumaldomai augo, o tuo pačiu augo ir jų suvartojama elektros energija bei išskiriama šiluminė galia. Vienas eksponentinis pokytis buvo kito eksponentinio pokyčio priežastis. Nieko nuostabaus, jog pasiekus branduolinių reaktorių šiluminį tankį, mikroprocesorių dažnis sustojo ties kelių gigahercų. Tačiau pagalvokime apie tai: o kaip tarp žmonijos pagamintų mikroprocesorių įsipaišytų žmogaus smegenys?

„Riken“ instituto kompiuterio pastatas bei aptarnaujanti infrastruktūra.

Žmogaus ir kitų gyvūnų smegenys yra efektyviausi superkompiuteriai, žinomi žmonijai. Jų „greitį” apibrėžia neuronų veiklos greitis, kuris yra tik apie dešimtį hercų (operacijų per sekundę), o pačioms žmogaus smegenims tereikia vos 20 vatų! Žmogaus smegenų neuronų skaičius siekia 80–90 mlrd. neuronų, o ryšių tarp neuronų – sinapsių – skaičius yra nuo 10^14 iki 10^16.

Jei žmogaus smegenų sinapsės būtų grūdai, jos užimtų beveik viso vandenyno tūrį. Nieko nuostabaus, kad dabartinių kompiuterinių technologijų sąlygomis vieno žmogaus protui patalpint reikalingas superkompiuteris užimtų teritoriją, didesnę už Lietuvą. Toks superkompiuteris būtų aušinamas visos Baltijos jūros vandeniu, o jį maitintų net 960 atominių jėgainių reaktoriai ir jis užimtų apie 110 000 pastatų, kurios užima vienas Japonijos „Riken“ instituto kompiuteris.

Artėjanti Muro dėsnio mirtis bei dabartinių mikroprocesorių elektros energijos sąnaudos kelia pagrįstų abejonių, ar mes kada nors pamatysime futuristo  Ray`us Kurzweilas žadamą žmonijos ateitį, kurioje visi žmonės gyvens visiškai kitokį gyvenimą.

Iš vienos pusės liūdna, o iš kitos norisi savęs paklausti, ar tikrai viskas yra taip prastai ir žmogus negali nieko sugalvoti?

„Fon Neumano“ procesorių architektūroje procesorius komandas ir duomenis nuskaito iš atminties per tą pačią magistralę.

Dabartiniai kompiuteriai priklauso taip vadinamų „fon Neumano” ir Harvardo architektūrų mišiniui: jie turi įvesties ir išvesties įrenginius, turi centrinį procesorių ir turi atmintį. Jei kompiuterio atmintyje gali būti talpinami duomenys ir instrukcijos, ką su tais duomenimis daryti, kompiuterijos specialistai kalba apie „fon Neumano“ architektūrą.

Jei duomenims ir instrukcijoms skiriamos skirtingos kompiuterinės atmintis, tuomet specialistai vadina tokį kompiuterį „Harvardo“ architektūros kompiuteriu. Abi architektūros turi savo pliusų ir savo minusų, todėl jūsų kompiuteryje esantis procesorius bando išnaudoti abejų privalumus.

Kiekvienas procesorius savo branduolyje turi mažus specializuotus atminties kiekius („kešus” nuo angl. cache), skirtus vien tik komandoms ir vien tik duomenims („Harvardo” architektūra), tačiau tiek komandos, tiek duomenis atkeliauja į procesorių iš tos pačios išorinės (dar vadinamos RAM) atminties.

Jei mes palyginsime smegenų neuroną su dabartiniais procesoriais, gana greitai pastebėsime, kad gamtos sukurtos smegenys negali būti pavadintos nei „fon Neumano“, nei „Harvardo“ architektūros kompiuteriu.

Mūsų smegenų neuronai ir informaciją ir komandas laiko ten pat, kur ta informacija yra apdorojama, o esant reikalui ši informacija per keletą sinapsių yra perduodama gretimiems neuronams. Nervų sistemoje egzistuoja šimtai skirtingų ir specializuotų neuronų, o mūsų kompiuteriuose veikia tie patys standartiniai procesoriai.

Metalinių laidelių labirintasm, sujungiantis mikroprocesoriaus tranzistorius su išorine atmintimi.

Viena iš pagrindinių dabartinių superkompiuterių problemų yra būtent duomenų ir komandų perkėlimas iš išorinės atminties į procesorių. Ir, nors patys tranzistoriai yra mažyčiai ir neįžiūrimi plika akimi, procesoriaus kojelės, kuriomis jis yra įstatomas į kompiuterinį lizdą, yra lengvai matomos. Kiekvienas procesorius turi ištisą labirintą skirtingo storio ir ilgio varinių laidelių, skirtų tam, kad informacija keliautų tarp procesoriaus ir išorinės atminties. O tokioms kelionėms reikalinga elektros energija yra susijusi su varinių laidelių ilgiu, storiu bei perduodamos informacijos kiekiu bitais.

Fizikai ir technologai, kurie projektuoja procesorius ir galingus superkompiuterius, atvirai kalba apie tai, kad elektros energijų sąnaudų požiūriu superkompiuteris stabdo būtent informacijos kelionių variniais laidais kaštai. Vieno bito operacijai procesoriui reikia šimto pikodžaulio, tačiau šiam informacijos bitui atkeliaut į procesorių iš išorinės atminties reikia jau beveik poros tūkstančių pikodžaulių. Jei informacijos bitas keliauja tarp superkompiuterio serverių, ši kaina išauga iki kelių tūkstančių pikodžaulių.

IBM neuromorfinio tipo „TrueNorth“ procesoriaus architektūra įkvėpimo semiasi iš gamtos.

Žmonės dažnai mėgsta „pasiskolinti” idėjas iš gamtos. Mūsų lėktuvai primena didelius paukščius, mūsų dangoraižiai – milžiniškas termitų kolonijas, tai kodėl nepasiskolinus ir kompiuterių architektūros?

Neumano tipo mašinų sudėtingumo palyginimas su neuromorfinio tipo mašinomis.

Jungtinių Amerikos Valstijų Gynybos departamentui priklausanti DARPA yra dažnai vadinama tuo mechanizmu, kuris padėjo Vakarams laimėti šaltą karą prieš SSRS. Būtent ši agentūra inicijavo bendrą su kompanijomis IBM, „Hewlett Packard“ ir „Hughes“ projektą „SyNAPSE“.

Šio projekto užduotis – išrasti naujo tipo efektyvią kompiuterinę architektūrą, kuri būtų palyginama su žinduolių smegenų efektyvumu, kai tenka spręst sudėtingas užduotis.

Sprendžiant nesudėtingas užduotis, dabartiniai kompiuteriai yra gerokai efektyvesni už žmogaus protą. Tačiau vos tik užduoties sudėtingumas išauga, mums prireikia vis brangesnių ir daugiau galios suvartojančių mašinų.

Naujo tipo neuromorfiniai procesoriai prastai susitvarko su dideliu kiekių lengvų užduočių, tačiau yra neįtikėtinai efektyvūs apdorojant vaizdus, garsus.

Šis projektas buvo pradėtas prieš 7 metus ir nuo 2008 metų DARPA jo vykdymui skyrė 102 mln. JAV dolerių. Žinoma, palyginus su 1,3 mlrd eurų, kuriuos Europos Sąjunga skyrė žmogaus proto simuliavimo projektui „Human Brain“, šie pinigai atrodo maži. Bet nereikia pamiršti, kad skirtingi yra ir projektų tikslai: vienas bando suprasti žmogaus protą, o kitas – surasti įkvėpimo šaltinį.

Ambicingi DARPA finansuojamo projekto „SyNAPSE“ planai.

Projektą sudaro penkios fazės ir šiuo metu jissėkmingai užbaigė savo ketvirtą bei pradėjo baigiamąją.

Pirmos fazės tikslas buvo sukurti smegenų sinapsės elgesį imituojančią tranzistorių grandinę. Pagrindinė problema buvo ta, kad mokslas žino keletą skirtingų sinaptinių ryšių, o ir pačiose sinapsėse yra daugiau nei 30 skirtingo tipų jonų kanalų, tad inžinieriams teko rinktis vieną.

Inžinieriai pasirinko savo sinapsės modeliui vieną paprasčiausių iš kelių sinaptinio plastiškumo tipų: nuo veikimo potencialų laiko poravimo priklausantį plastiškumą (angl. spike timing dependent plasticity).

Skamba sudėtingai, bet labai elementariai įgyvendinama. Įsivaizduokite, kad nešate sunkų daiktą ir jums reikia praeiti pro vartelius, tačiau nešamas daiktas trukdo juos atidaryti. Geriausia yra bandyti praeiti paskui kitą žmogų. Prieš jus ėjęs žmogus įsiūbavo vartelius, jei pasiskubinsite, praeisite pro atvirus vartelius. Jei užsivėlinsite, varteliai jau bus uždaryti. Panašiai šio tipo ryšyje elgiasi informacija, kurią vienas neuronas perduoda kitam.

Antroje fazėje (nuo 2009 iki 2011 metų) mokslininkai turėjo sukonstruoti veikiantį procesoriaus prototipą bei atlikti kompiuterinius neuromorfinių procesorių programavimo bandymus.

Ir štai 2011 metais IBM pademonstravo pirmąjį pasaulyje neuromorfinį procesorių, kuris turėjo 256 neuronus, 1024 aksonus bei 262 tūkstančius sinapsių. Panašius kiekius neuronų turi gyvi ir dirbtiniai sliekai. Šis naujo tipo procesorius turėjo apie 3,8 mln. tranzistorių ir buvo pagamintas naudojant IBM 45 nanometrų technologinį procesą. Vienas neuronas užėmė 35 μm x 95 μm (mikrometrų), kas yra jau beveik palyginama su žmogaus neurono dydžiu 4 x 100 μm2.

Pagrindinis mokslininkų uždavinys buvo ne tik sukonstruoti bei pagaminti tokius mikročipus, bet ir išmokti juos programuoti. Tam IBM mokslininkams prireikė sugalvoti naują programavimo kalbą, kurią jie pavadino „Corelet“.

Trečioje projekto fazėje mokslininkai sukūrė COMPASS. Tai – speciali programa, kurios paskirtis yra apskaičiuoti dar nepagaminto ir neegzistuojančio neuromorfinio kompiuterio veiklą. Šios fazės pagrindinis rezultatas buvo viename didžiausių pasaulio superkompiuterių – „Sekvoja“ – atlikta „TrueNorth“ architektūros čipo simuliacija, kurioje procesorius turėjo net 2.084 mlrd. branduolių. Bendroje sumoje visi šio virtualaus kompiuterijos monstro branduoliai turėjo net 53×1010 neuronų ir 1.37×1014 sinapsių. Ir nors teorinis neuronų greitis turėjo būti mažas – 8,1 Hz, bet ir tokia užduotis buvo neįmanoma anuomet galingiausiam superkompiuteriui. „Sekvoja“ modeliavo šį procesorių 1,542 kartų lėčiau nei realus laikas.

Šioje vietoje svarbu pastebėti, kad toks dirbtinių neuronų ir sinapsių skaičius yra palyginamas su žmogaus smegenyse esančių ląstelių skaičiumi. Dėl šios priežasties IBM viešųjų ryšių skyrius padarė neleistiną klaidą: Jie paskelbė, kad atliko žmogaus proto kompiuterinę simuliaciją.

Tačiau nieko panašaus neįvyko, nes neurono modelis buvo labai primityvus. Dėl šios priežasties „IBM SyNAPSE“ projektas susilaukė neįtikėtinai griežtos kritikos iš neurologo prof. H. Markmano, kuris viešai pavadino tai antimoksliška „antimi”.

Ir štai 2014 metų rugpjūčio mėnesį IBM, užbaigdama priešpaskutinę projekto fazę, pristatę galutinę kompiuterinio čipo, bandančio kopijuoti žinduolio protą, versiją – „IBM TrueNorth“. Čipą sudaro tik 4096 branduoliai, kiekviename iš kurių yra neuronas, 256 aksonai, 256 dendritai bei solidus kiekis atminties. Viską sudauginus tai būtų daugiau nei vienas milijonas sinapsių. Panašiai į gyvo padaro protą šis čipas nerodo ypatingų skaičiuojamųjų galių, tačiau pagal savo energetinį efektyvumą jis yra panašus į gyvas smegenis, kadangi jo dalys bendrauja tarpusavyje impulsais, panašiais į smegenų neuronų aktyvumą.

Procesorių sudaro 4096 skaičiuoti galintys elementai (branduoliai) – kvazi „neuronų”, kuriuos tarpusavyje apjungia kvazi „sinapsės – greitos ir lygiagrečios jungtys tarp individualių branduolių. Kiekviename branduolyje yra skaičiuojantysis elementas – neuronas. Aplink už informacijos perdavimą atsakingą kontrolerį ir maršrutizatorių yra susitelkę aksionai ir dendritai su sinapsėmis.

Jis buvo pagamintas pagal užsakymą „Samsung“ gamykloje pagal 28 nm techninį procesą ir turi 5,4 mlrd. įprastų tranzistorių, kas daro ji vienu iš stambiausių ir sudėtingiausių dabarties gaminių. Jis sunaudoja tik 72 milivatus ir sugeba atlikti 400 mlrd. sinaptinių operacijų per sekundę tenkančią vienam vatui. Standartinės „Neumano“ architektūros kompiuteris šias užduotis atlieka 100 kartų lėčiau ir naudoja 176 000 daugiau energijos.

Palyginus su konkurentais jis yra 769 kartus efektyvesnis, bei dirba tik 20 Hz dažniu, o neuronai skaičiuoja tik tuomet, kuomet gauna impulsus iš kitų neuronų. Be abejo tai nėra dar galutinis produktas, bet jis jau gali dirbt su realaus pasaulio problemomis. Dėl savo milžiniško lygiagretumo tinkamai suprogramuotas jis geba atpažinti objektus nuotraukose: žmogų, mašinas, dviračius ir kita.

„TrueNorth“ procesoriaus suvartojamos galios žemelapiai.

Kažkuo šis lygiagretumas yra panašus į dabar vis labiau skaičiavimuose plintančių grafinių vaizdo kortų procesorių lygiagretumą, tačiau „NVidia“ ir AMD greitintuvuose ryšiai tarp individualių branduolių vyksta per tą pačią procesoriui išorinę greitintuvo atmintį.

Bet IBM mokslininkai nestovi vietoje. Jie pagamino dabar naujesnę to milžiniško čipo versiją, kur pakeitė lėtą atmintį neuronuose greitąją fazinio pokyčio atmintimi. Ir nors naujasis kūrinys turi 913 neuronų bei 165 000 sinapsių (kas atrodo lyg žingsnis atgal), pavieniai branduoliukai („neuronai”) naudoja visiškai naują atminties tipą – greitesnį, ekonomiškesnį bei tankiau patalpinamą mikroschemoje.

To mažiuko čipo galingumo pakako tam, kad, tinkamai suprogramavus, jis sugebėtų atpažinti ranka parašytas raides, o mokslininkams pasidarbavus su klaidų kompensavimo algoritmais bus galima pasiekti net 99 procentų tikslumą atpažįstant ranka parašytą tekstą.

Atrodytų, Muro dėsnis mirė, tegyvuoja naujas karalius? Ne visai taip. Patys tyrėjai net neslepia, kad neuromorfiniai procesoriai vargu, ar kada visiškai pakeis arba išstums seno tipo procesorius, kurie yra neįtikėtinai geri savo srityje. Galu gale, jei mes norime įkalti vieną vinį, mes imame vieną gerą, o ne dešimt prastesnių.

Komentarai

Spausdami siųsti mygtuką sutinkate su Taisyklėmis ir atsakomybe

Mokslas ir IT

 

Susiję įrašai

 
Visi įrašai
Kraunasi ...
 
GrojaraštisIrašaiKeisti
Kraunasi ...
  
VartotojasPašalinti
Kraunasi ...