IBM представила чип, архитектура которого имитирует работу человеческого мозга

IBM показала чип, наиболее точно имитирующий работу человеческого мозга и содержащий сеть из 1 млн. искусственных нейронов, а также 256 млн. синапсов (ячеек хранения данных). Технический гигант разработал чип по проекту SyNAPSE («системы нейроморфной адаптивной масштабируемой электроники») агентства DARPA совместно с Cornell Tech и iniLabs.

«Когда 6 лет назад проект SyNAPSE был запущен, многие люди думали, что это невозможно, – рассказывает порталу EE Times специалист IBM Research, Дамендра Модха. – Но сегодня мы доказали успех проекта, а сейчас работаем над возможностью коммерческой реализации технологии в будущем».

Миллионы ячеек, напоминающих клетки мозга, в чипе IBM SyNAPSE работают на базе 4096 нейросинаптических ядер, представляющих память, вычислительные возможности, коммуникации и функционирование в асинхронном параллельном режиме с событийной зависимостью и устойчивостью к сбоям.

«Имея 5.4 млрд. транзисторов, новое решение от IBM становится самым большим чипом за всю историю электронной промышленности. При этом новый чип потребляет лишь 70 мВт мощности», – продолжает Модха. В качестве альтернативы единице флопс (FLOPS) для измерения производительности чипа IBM придумала новую единицу измерения – синаптические операции в секунду (SOPS, сопс).

«Чип обладает производительностью 46 млрд. сопс на 1 Вт. Это, фактически, суперкомпьютер размером с почтовую марку, весом с перо и энергопотреблением, которым может обеспечить батарейка слухового аппарата, – отмечает Модха. – Идеальное решение для контрольных датчиков, мобильных устройств, облачных служб и суперкомпьютеров».

Удельное энергопотребление новой архитектуры составляет 20 мВт на кв. см, что в 5000 раз лучше показателей современных микропроцессоров. Решение основано на предыдущем чипе с одним нейросинаптическим ядром и 256 нейронами. В новом решении IBM сократила площадь кристалла в 15 раз и энергопотребление – в 100 раз, при этом увеличила число ядер до 4096.

Все ядра чипов связаны сетью таким образом, что каждый чип напрямую взаимодействует со смежными. При размещении рядами они образуют единую структуру, которая может использоваться в будущих нейросинаптических суперкомпьютерах. Для демонстрации уровня масштабируемости IBM представила 16-чиповую систему, которая расширила архитектуру до 16 млн. программируемых нейронов и 4 млрд. программируемых синапсов. Целью компании является достижение 100 трлн. синапсов – именно таково их минимальное число в человеческом мозге.

Разработчики уверены, что их чип установит новую планку в нейросинаптических компьютерах благодаря радикально новой архитектуре, невиданным прежде масштабам, скорости работы, энергоэффективности, безграничным возможностям расширения.

Интегрировав средства обработки, память и коммуникации в каждое ядро, IBM решает проблему узкого места фон Неймана, из-за которой в современных микропроцессорах предусматривают несколько уровней кэшей, повышающих энергопотребление системы. В новом чипе все ядра работают параллельно без необходимости применения частот в несколько гигагерц. На самом деле тактовая частота чипа – всего 1 кГц, что требуется для дискретизации нейронной динамики. Распределение ядер по всему чипу позволило добиться отказоустойчивой работы. Сбой любого ядра не влияет на общие вычислительные способности. Чип выполнен по 28-нм техпроцессу от Samsung, известному своей плотностью размещения памяти и низкой утечкой транзисторов.

Модха и его команда заняты разработкой нового симулятора, нового языка программирования, программных библиотек, алгоритмов, а также нового учебного плана. Всё нацелено на создание глобальной экосистемы программных и аппаратных решений. Интеграция различных типов датчиков и размещение вычислительных элементов непосредственно с ними даёт надежду на то, что новые нейросинаптические компьютеры будут способны справиться с неоднозначными потоками данных в реальном мире.

«Мы начинаем взаимодействовать с университетами и промышленными партнёрами. Идёт работа по созданию новых решений, например, встроенных в камеры систем распознавания объектов, – говорит Модха. – Данные могут обрабатываться по мере их сбора в смартфонах, автомобилях и медицинских устройствах».

Низкое энергопотребление и возможность обработки данных с датчиков в новом чипе позволит задействовать его в различных сферах. В медицине: интеллектуальный термометр, визуально исследующий горло и инспектирующий признаки инфекций, например по запаху. В робототехнике: автономный робот с камерами, исследующий опасные для человека зоны. В датчиках: плавающее, словно медуза устройство, измеряющее температуру воды, солёность, мутность и высоту волны. В системах навигации: очки со встроенной навигационной системой.

IBM также работает над возможностями самообучения чипа. Компания планирует задействовать преимущества CMOS-техпроцесса в уплотнении памяти и 3-мерной интеграции, а также технологии новых датчиков. Целью является ещё большая энергетическая эффективность, более плотное размещение компонентов и повышенная скорость работы. На 4 фазы разработки от DARPA поступит 53 млн. долларов. Проект подразумевает реализацию коммерческих перспектив в ближайшие 5 лет.