2 ноября ученые из Манчестерского университета в Соединенном Королевстве запустили самый большой «электронный мозг» в мире — суперкомпьютер SpiNNaker с миллионом ядер и 1200 взаимосвязанными материнскими платами, которые вместе работают как человеческий мозг.

На разработку этого крупнейшего в мире нейроморфного компьютера — то есть компьютера, который имитирует связи между нейронами — ушло 20 лет, десять из которых его строили, а стоимость всего проекта превышает 20 миллионов долларов.

Компьютер основан на дублированной топографической архитектуре нейронной сети, или SpiNNaker, и она «переосмысливает работу обычных компьютеров», — сказал член проекта Стив Фурбер, профессор компьютерной инженерии в Манчестерском университете.


Одна плата суперкомпьютера SpiNNaker.

Но SpiNNaker не просто «думает», как мозг. Согласно заявлению, он создает модели нейронов в мозгу человека, и он имитирует больше нейронов в реальном времени, чем любой другой компьютер на Земле. «Его основной задачей является поддержка частичных моделей мозга: например, модели коры головного мозга, базальных ганглиев или других регионов, которые обычно представляют собой сети взаимосвязанных нейронов», — сказал Фурбер.

Уникальная архитектура

С апреля 2016 года SpiNNaker моделирует активность нейронов с использованием 500 000 основных процессоров, но модернизированная машина имеет вдвое большую мощность, объясняет Фурбер. При поддержке Проекта человеческого мозга Европейского союза — попытка создать виртуальный человеческий мозг — SpiNNaker будет по-прежнему позволять ученым создавать детализированные модели мозга. Но теперь он способен одновременно выполнять 200 квадриллионов операций, сообщают представители университета.

Человеческий мозг состоит из 100 миллиардов нейронов. Каждый из них связан с несколькими тысячами других, так что количество связей просто огромно — и, увы, пока что недостижимо современной электроникой, так что Фубер и его коллеги планируют создать модель мозга, включающую в себя 1 миллиард нейронов — то есть, 1% от человеческого мозга: до сегодняшнего момента это было недоступно ни одному компьютеру.

И основная проблема — это создать компьютер, который способен обрабатывать миллиарды параллельных процессов так же быстро, как это делает настоящий мозг. Созданная для этого архитектура SpiNNaker имеет 1 миллион ядер ARM9 (не ошибка, буквы «v» в маркировке нет, это «старые» ARM-процессоры начала нулевых), способных обработать 200 триллионов операций в секунду. Они объединяются в 57 тысяч узлов, в каждом из которых находится по 18 ядер и 128 МБ SDRAM-памяти. По словам исследователей, хватило бы и 16 ядер в узле, еще 2 были добавлены для лучшей отказоустойчивости.


Структура одного узла.

Выбор на архитектуру ARM пал из-за возможности хорошей оптимизации под конкретную задачу и невысокое энергопотребление. Высокая производительность каждого ядра тут, очевидно, не нужна — ведь они эмулируют по сути всего один нейрон, что не так трудно.

Узлы связаны в асинхронную ячеистую структуру, информация между ними передается пакетами по 72 бита. Такой небольшой объем пакета удалось получить благодаря упрощению индексации передаваемых данных: так, в обычных компьютерах в каждом пакете записана информация, откуда, как и куда он должен быть передан. В архитектуре SpiNNaker все устроено иначе: каждый пакет включает только информацию об источнике, а инфраструктура сети доставляет его по назначению. Это похоже на почту без почтовых отделений: почтальон приходит к человеку на дом, забирает письмо и тут же отвозит его в нужное место — очевидно, это очень сильно снижает время доставки.

Структура объединения узлов.

По словам Фубера, архитектура SpiNNaker поддерживает исключительный уровень связи между процессорами, заставляя работать суперкомпьютер как мозговую нейронная сеть. «У обычных суперкомпьютеров есть механизмы взаимодействия, которые куда хуже подходят для моделирования мозга в реальном времени», — говорит он. «SpiNNaker, я считаю, способен моделировать более сильные нейронные сети в биологическом реальном времени, чем любая другая машина».

Мозг поверх материи

Раньше, когда SpiNNaker работал только с 500 000 процессоров, он моделировал 80 000 нейронов коры головного мозга, которые отвечают за данные, получаемые от органов чувств. Другая симуляция, проведенная SpiNNaker, относится к базальным ганглиям — области мозга, затрагиваемой болезнью Паркинсона, что намекает на потенциал компьютера как инструмента для изучения расстройств мозга.

SpiNNaker также может управлять мобильным роботом под названием SpOmnibot, который использует компьютер для интерпретации данных с камер и навигации в режиме реального времени, говорят представители университета.



При всей своей вычислительной мощности и уникальности архитектуры, насколько близок SpiNNaker к настоящему человеческому мозгу? Пока что точно имитировать человеческий мозг просто невозможно, отвечает Фурбер. Передовая машина, такая как SpiNNaker, по-прежнему может управлять лишь небольшим количеством нейронов, составляющим человеческий мозг, и суперкомпьютерам предстоит пройти долгий путь, прежде чем они смогут думать «сами за себя».

«Даже с миллионами процессоров мы можем приблизиться только к 1% возможностей человеческого мозга, и это с большим уровнем допущений», — сказал он. Тем не менее, SpiNNaker вполне может имитировать мозг мыши, который в 1000 раз меньше человеческого, добавил Фурбер.

«Если для того, чтобы эмулировать мышиные мысли все, что требуется — это достаточное количество нейронов, соединенных вместе в правильной структуре (что само по себе спорный момент), то, возможно, теперь мы можем достичь этого уровня мышления в модели, работающей на SpiNNaker», — сказал он.