Суперкомп'ютери, здатні здійснювати трильйони математичних операцій в секунду, займають гігантські приміщення, а споживана потужність їх порівнянна з невеликим заводом. Мозок людини, призначений для тих же завдань, має об'єм в пару літрів і споживає енергії менше слабенької лампочки. Так чому б не створити комп'ютер, заснований на принципах роботи мозку?
З моменту появи першого мікропроцесора в 1971 році тактові частоти збільшилися на три порядки. "Деякі схильні розглядати це як еволюцію в області комп'ютерних технологій, але її напрямок явно розходиться з еволюцією біологічного мозку, - говорить Дхармендра Модха, директор з науки підрозділу Cognitive Computing лабораторії IBM Research в Алмадені. - Тактові частоти сучасних комп'ютерів вище, ніж у мозку, в сто мільйонів разів, але і питома витрата енергії (на логічний елемент) у них в десять тисяч разів більше. При спробі ж повномасштабного моделювання функціонування мозку зі 100 трлн синапсами все виглядає ще сумніше: навіть при використанні Sequoia, одного з найбільш продуктивних суперкомп'ютерів світу, заснованого на архітектурі IBM Blue Gene/Q, функціонування структури можна відтворити не в реальному часі, а на швидкості в 1500 разів повільніше.
І це при тому, що Sequoia складається з 96 стійок, займає площу в 300 м2 і має споживану потужність близько 8 МВт. А щоб «наздогнати» мозок, потрібен гіпотетичний комп'ютер, який споживає близько 12 ГВт! Для порівняння: споживана потужність людського мозку становить близько 20 Вт. Настільки велика різниця пояснюється двома факторами: технологією та архітектурою. Людський мозок використовує як елементну базу органічні нейрони, а мікропроцесори - неорганічні кремнієві транзистори. Але з цим поки нічого зробити неможливо, і ми вирішили зосередитися на другому факторі - архітектурі ".
Навчайся сам!
Параметри нейронів і синапсів процесора TrueNorth потрібно заздалегідь конфігурувати. За словами Білла Ризика, таке рішення було прийнято свідомо, щоб зменшити ймовірність помилок і знизити складність розробки багатоядерного чіпа на перших етапах. Проте на одній з наступних фаз розробники планують зробити процесор «самонавчальним»: конфігурація нейронів і синапсів буде змінюватися залежно від зовнішніх сигналів і результатів їх обробки в реальному часі.
Ключова різниця
Всі сучасні комп'ютери побудовані за так званою архітектурою фон Неймана, яка передбачає наявність процесора і пам'яті, в якій зберігаються дані і логічні інструкції з їх обробки - програми. Обмін даними між процесором і пам'яттю здійснюється за спеціальним каналом, який є найвужчим місцем, що обмежує продуктивність такої системи. Дії виконуються послідовно, диригують ними внутрішні години (тактовий генератор), і чим більше частота тактів, тим швидше виконується обробка даних. І тим вище енергоспоживання процесора.
Друге покоління нейросинаптичних чіпів - плід восьми років праці групи розробників IBM Research, а також багатьох інших дослідницьких центрів і провідних університетів. Споживання енергії чіпа з 256 мільйонами синапсів становить 0,1 Вт. У перспективі - комп'ютер, що містить 1 трлн синапсів зі споживанням 4 кВт.
Біологічний мозок влаштований зовсім по-іншому. Основне завдання, для якого еволюція шляхом проб і помилок створила цю складну нервову структуру, - обробка великої кількості сенсорних сигналів і видача у відповідь на ці сигнали складних команд. Мозок складається з багатьох нервових клітин (нейронів), що утворюють між собою міжклітинні сполуки - синапси. Для такої структури не існує поділу на «процесор» і «пам'ять», мова мозку - це імпульси збудження, що передаються від одного нейрона до інших за допомогою синапсів, а інструкції і дані кодуються динамічною структурою зв'язків. Така обробка даних відбувається паралельно, тобто не вимагає високих тактових частот внутрішніх годин, а це означає, що за енергоефективністю така система не має собі рівних, на багато порядків перевершуючи найкращі вироби рук людських.
Ключові відмінності
Традиційні процесори базуються на архітектурі фон Неймана і працюють під управлінням тактового генератора (тобто протягом усього часу). Нейросинаптичні процесори, як нейрони мозку, керуються потоком подій, і тому працюють тільки малу частину часу. Це знижує енергоспоживання на кілька порядків.
Синаптичне завдання
У 2006 році в дослідницькому підрозділі IBM задумалися над питанням, чи не можна побудувати комп'ютер, відступивши від архітектури фон Неймана і взявши за зразок принципи побудови біологічного мозку. Це послужило поштовхом до появи в 2008 році проекту з балакучим ім'ям SyNAPSE, фінансованого агентством передових оборонних розробок DARPA.