На пути к созданию когнитивного компьютера

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.

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.

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.