Современные компьютеры, которыми пользуется большинство из нас, созданы на основании так называемой архитектуры фон Неймана. Этот метод хорошо подходит для решения уравнений и запуска различных алгоритмов, но не для обработки изображений или звука. И хотя в 2012 году Google научили искусственный интеллект различать кошек на видео, для этого компании потребовалось 16 тыс. процессоров.
Поэтому человечество работает над изобретением новых архитектур, которые бы позволили машинам более эффективно взаимодействовать с окружением. Одним из таких решений стали нейроморфные чипы, о которых мы хотим рассказать в сегодняшнем материале.
/ Flickr / The Preiser Project / CC
Нейроморфные чипы моделируют то, как наш мозг обрабатывает информацию — как миллиарды нейронов и триллионы синапсов реагируют на сигналы от органов чувств. Связи между нейронами также постоянно меняются, реагируя на изображения, звуки и др. Этот процесс мы с вами называем обучением. Идея состоит в том, чтобы заставить чипы делать то же самое.
Даже если нейроморфные чипы будут уступать в «производительности» реальному мозгу, они все равно обгонят современные компьютеры в вопросах обучения и обработки сенсорной информации.
Сама идея нейроморфных чипов достаточно стара. Профессор Калифорнийского университета Карвер Мид (Carver Mead) ввел этот термин в 1990 году, отметив, что аналоговые чипы, в отличие от бинарных, смогут имитировать мозговую активность, но воплотить идею в жизнь и создать такой чип ему не удалось. Однако сегодня сразу несколько компаний активно занимаются воплощением этой архитектуры в кремнии.
Сравнение обычной архитектуры с нейроморфной (Источник)
В 2008 году по заказу организации DARPA компания IBM Research начала работу над нейроморфным чипом. И через 6 лет, в 2014 году, ученые представили публике систему TrueNorth, состоящую из 1 млн цифровых нейронов и 256 млн синапсов, заключенных в 4096 синапсных ядер.
TrueNorth — это модульная система, которая состоит из нескольких чипов, представляющих собой нейроны мозга. Соединяя такие чипы между собой, ученые формируют искусственную нейронную сеть. По словам представителей компании, TrueNorth потребляет меньше электроэнергии, чем его «классические» собратья.
Нейрочип с 5,4 млрд транзисторов потребляет 70 мВт энергии, в то время как процессор Intel, в котором транзисторов почти в 4 раза меньше, требует порядка 140 Вт. В планах ученых еще сильнее снизить энергопотребление и размеры последующих версий TrueNorth, чтобы они могли найти применение в мобильных устройствах или часах.
В IBM рассчитывают, что TrueNorth станет новой вехой в развитии компьютерных технологий и будет использоваться высокопроизводительными системами, например в дата-центрах.
Интересно, что для работы с нейромфорными чипами компанией был создан новый язык программирования. В основе языка лежит так называемая концепция корлетов (Corelet) — объектно-ориентированных абстракций нейросинаптических ядер. В программной архитектуре каждый корлет имеет 256 вводов (аксонов) и 256 выводов (нейронов), которые связывают все ядра друг с другом.
«Взаимодействие процессора и памяти в традиционной архитектуре происходит последовательно, — говорит ведущий исследователь проекта SyNAPSE Дхармендра С. Модха. — Наша архитектура — это комплект кубиков LEGO. Каждый корлет имеет различные функции, и вы просто комбинируете их». Например, такая система может использоваться для поиска людей в толпе. Один корлет может искать определенную форму носа, другой — цвет одежды и так далее.
/ Flickr / IBM Research / CC
Но IBM не единственная компания, которая занимается подобными разработками. Среди потенциальных участников рынка числятся такие гиганты, как Google и, что немаловажно, Qualcomm.
Не так давно Qualcomm провели в своей штаб-квартире в Сан-Диего презентацию возможностей нового нейроморфного чипа. Небольшой робот размером с мопса под названием Pioneer подъехал к детской игрушке, а затем начал толкать её в сторону трех невысоких колонн.
Ведущий инженер Qualcomm Иль У Чанг (Ilwoo Chang) указал обеими руками, куда следует разместить фигурку, и Pioneer, распознав жест с помощью встроенной камеры, выполнил задачу. После чего он отправился за другой игрушкой и привез её к той же самой колонне безо всяких подсказок.
Робот оказался способен выполнять задачи, для которых, обычно, нужны мощные специализированные компьютеры. Pioneer уже умеет распознавать новые объекты и расставлять их по сходству с другими предметами, реагируя на команды-жесты.
В компании Qualcomm отмечают, что нейроморфный чип, который управляет роботом, является цифровым, а не аналоговым, однако по-прежнему эмулирует различные аспекты поведения человеческого мозга. Создатели заявили, что их процессор, размещенный в мобильных устройствах, компьютерах и роботах позволит машинам самообучаться.
Проект получил название Zeroth и, по словам представителей компании, первые подобные чипы должны были появиться в продаже в 2014 году, но этого не произошло. Однако в 2015 году компания все же представила одноименную вычислительную платформу.
Как было отмечено выше, подобные чипы позволят нашим привычным устройствам самообучаться. Например, медицинские гаджеты научатся распознавать жизненно важные показатели, чтобы превентивно влиять на состояние пациентов. Смартфоны же научатся предсказывать желания своих владельцев.
Однако пока еще остаются определенные препятствия, которые предстоит преодолеть. Все еще не решена проблема компоновки нейронов — сложно сопоставить размеры «мозга» с его возможностями. Трудности возникают на всех этапах — сборка, доставка мощности, теплоотвод, управление топологией.
Еще один блок трудностей связывают с абстрактной натурой нейровычислений. Насколько близкую копию нашего мозга необходимо создать, чтобы решить желаемые задачи? И как такие чипы будут взаимодействовать с классической вычислительной техникой?
Практически все проекты сейчас проходят тестирование, и до их использования в смартфонах и часах пока еще далеко. И как ученые справятся с трудностями, покажет только время.
P.S. Дополнительное чтение (новые материалы в нашем блоге)
Поэтому человечество работает над изобретением новых архитектур, которые бы позволили машинам более эффективно взаимодействовать с окружением. Одним из таких решений стали нейроморфные чипы, о которых мы хотим рассказать в сегодняшнем материале.
/ Flickr / The Preiser Project / CCНейроморфные чипы моделируют то, как наш мозг обрабатывает информацию — как миллиарды нейронов и триллионы синапсов реагируют на сигналы от органов чувств. Связи между нейронами также постоянно меняются, реагируя на изображения, звуки и др. Этот процесс мы с вами называем обучением. Идея состоит в том, чтобы заставить чипы делать то же самое.
Даже если нейроморфные чипы будут уступать в «производительности» реальному мозгу, они все равно обгонят современные компьютеры в вопросах обучения и обработки сенсорной информации.
Когнитивные разработки
Сама идея нейроморфных чипов достаточно стара. Профессор Калифорнийского университета Карвер Мид (Carver Mead) ввел этот термин в 1990 году, отметив, что аналоговые чипы, в отличие от бинарных, смогут имитировать мозговую активность, но воплотить идею в жизнь и создать такой чип ему не удалось. Однако сегодня сразу несколько компаний активно занимаются воплощением этой архитектуры в кремнии.
В 2008 году по заказу организации DARPA компания IBM Research начала работу над нейроморфным чипом. И через 6 лет, в 2014 году, ученые представили публике систему TrueNorth, состоящую из 1 млн цифровых нейронов и 256 млн синапсов, заключенных в 4096 синапсных ядер.
TrueNorth — это модульная система, которая состоит из нескольких чипов, представляющих собой нейроны мозга. Соединяя такие чипы между собой, ученые формируют искусственную нейронную сеть. По словам представителей компании, TrueNorth потребляет меньше электроэнергии, чем его «классические» собратья.
Нейрочип с 5,4 млрд транзисторов потребляет 70 мВт энергии, в то время как процессор Intel, в котором транзисторов почти в 4 раза меньше, требует порядка 140 Вт. В планах ученых еще сильнее снизить энергопотребление и размеры последующих версий TrueNorth, чтобы они могли найти применение в мобильных устройствах или часах.
В IBM рассчитывают, что TrueNorth станет новой вехой в развитии компьютерных технологий и будет использоваться высокопроизводительными системами, например в дата-центрах.
Интересно, что для работы с нейромфорными чипами компанией был создан новый язык программирования. В основе языка лежит так называемая концепция корлетов (Corelet) — объектно-ориентированных абстракций нейросинаптических ядер. В программной архитектуре каждый корлет имеет 256 вводов (аксонов) и 256 выводов (нейронов), которые связывают все ядра друг с другом.
«Взаимодействие процессора и памяти в традиционной архитектуре происходит последовательно, — говорит ведущий исследователь проекта SyNAPSE Дхармендра С. Модха. — Наша архитектура — это комплект кубиков LEGO. Каждый корлет имеет различные функции, и вы просто комбинируете их». Например, такая система может использоваться для поиска людей в толпе. Один корлет может искать определенную форму носа, другой — цвет одежды и так далее.
Но IBM не единственная компания, которая занимается подобными разработками. Среди потенциальных участников рынка числятся такие гиганты, как Google и, что немаловажно, Qualcomm.
Не так давно Qualcomm провели в своей штаб-квартире в Сан-Диего презентацию возможностей нового нейроморфного чипа. Небольшой робот размером с мопса под названием Pioneer подъехал к детской игрушке, а затем начал толкать её в сторону трех невысоких колонн.
Ведущий инженер Qualcomm Иль У Чанг (Ilwoo Chang) указал обеими руками, куда следует разместить фигурку, и Pioneer, распознав жест с помощью встроенной камеры, выполнил задачу. После чего он отправился за другой игрушкой и привез её к той же самой колонне безо всяких подсказок.
Робот оказался способен выполнять задачи, для которых, обычно, нужны мощные специализированные компьютеры. Pioneer уже умеет распознавать новые объекты и расставлять их по сходству с другими предметами, реагируя на команды-жесты.
В компании Qualcomm отмечают, что нейроморфный чип, который управляет роботом, является цифровым, а не аналоговым, однако по-прежнему эмулирует различные аспекты поведения человеческого мозга. Создатели заявили, что их процессор, размещенный в мобильных устройствах, компьютерах и роботах позволит машинам самообучаться.
Проект получил название Zeroth и, по словам представителей компании, первые подобные чипы должны были появиться в продаже в 2014 году, но этого не произошло. Однако в 2015 году компания все же представила одноименную вычислительную платформу.
Новое машинное обучение, но не сегодня
Как было отмечено выше, подобные чипы позволят нашим привычным устройствам самообучаться. Например, медицинские гаджеты научатся распознавать жизненно важные показатели, чтобы превентивно влиять на состояние пациентов. Смартфоны же научатся предсказывать желания своих владельцев.
Однако пока еще остаются определенные препятствия, которые предстоит преодолеть. Все еще не решена проблема компоновки нейронов — сложно сопоставить размеры «мозга» с его возможностями. Трудности возникают на всех этапах — сборка, доставка мощности, теплоотвод, управление топологией.
Еще один блок трудностей связывают с абстрактной натурой нейровычислений. Насколько близкую копию нашего мозга необходимо создать, чтобы решить желаемые задачи? И как такие чипы будут взаимодействовать с классической вычислительной техникой?
Практически все проекты сейчас проходят тестирование, и до их использования в смартфонах и часах пока еще далеко. И как ученые справятся с трудностями, покажет только время.
P.S. Дополнительное чтение (новые материалы в нашем блоге)
