Плата с нейросетью имитирует работу человеческого мозга

Создана плата, работающая в разы быстрее обычных компьютеров при меньшем энергопотреблении. Это стало возможным благодаря имитации работы человеческого мозга. Решение, созданное инженерами биотехнологий Стэнфордского университета, имеет размеры и энергопотребление, сопоставимые с устройством Apple iPad. На плате расположено 16 специализированных чипов «нейроядер» (Neurocore) для моделирования процессов человеческого мозга.

Новое решение было специально разработано для имитации работы синапсов головного мозга человека в рамках исследовательской программы Национального института здоровья. По мнению профессора биоинженерных технологий Стэнфордского университета Квабена Боахена, плата Neurocore имеет большой потенциал и может использоваться не только для исследований в области неврологии.

Новое решение может использоваться в управляющих системах протезов конечностей. Сочетание малого энергопотребления и высокоэффективных вычислительных способностей позволяет выполнять программы, способные распознавать намерения носителя устройства. Движения мускул и нервная активность в ноге или руке интерпретируется с дальнейшим преобразованием данных в цифровые команды и приведением в движение роботизированного протеза. Характер работы протеза приближен к естественным движениям человеческих конечностей. Разработка подразумевает создание неких стандартов, которые позволят другим инженерам и компаниям понять принципы работы устройства, а также реализовывать решения на базе него.

«Сейчас для программирования такого устройства нужно знать, как работает мозг, – отмечает Боахен. – Мы хотим создать нейрокомпилятор. Тогда специалистам для работы с устройством не нужно будет вдаваться в тонкости работы синапсов и нейронов».

Нейросеть реализована на базе аппаратной эмуляции и программного моделирования. Вместо реализации физической связи каждого из миллионов нейронов команда из Стэнфорда смоделировала взаимодействие узлов на базе 8 транзисторов, каждый из которых имеет уникальный адрес, используемый для программного взаимодействия друг с другом. Таким образом, имитируется синаптическая связь.

Каждый нейрон в нейросети имеет 61 градуированный параметр и 18 бинарных программируемых параметров. В зависимости от заданной программы плата способна имитировать работу различных областей мозга. Чипы Neurocore представляют из себя CMOS процессоры, выполненные по 180-нм техпроцессу, работающие в паре с дочерними платами с 32 МБ памяти SRAM и модулем ПЛИС для реализации связи между виртуальными синапсами.

Всё устройство стоит порядка 40 тыс. долларов. Изменение рабочего техпроцесса на более современную геометрию позволит снизить энергопотребление и удешевить решение (в случае серийного выпуска). Боахен верит в то, что когда-то плату с нейросетью можно будет приобрести за 400 долларов. Такие платы будут использоваться в качестве контроллеров протезов рук и ног.

Боахен и его коллега, профессор Кришна Шеной, работают над возможностями считывания сигналов мозга, относящихся к физическому перемещению человека. Цель работы – создание чипа, подобного Neurocore, который мог бы имплантироваться непосредственно в мозг и управлять движением протезов, словно это настоящие человеческие конечности. Ключевым параметром для подобных систем является энергетическая эффективность, уровень которой даже в чипах Neurocore далёк от совершенства.

Плата с нейросетью в 100 тысяч раз эффективнее персонального компьютера по энергопотреблению при моделировании работы нейронов. «Человеческий мозг имеет в 80 тыс. раз большей нейронов, чем новое решение, однако энергопотребление мозга лишь в 3 раза выше, чем у данной платы, – отмечает Боахен. – достижение подобного уровня эффективности с лучшими возможностями масштабирования и настройки – сложная задача, с которой сталкиваются инженеры».