Ученые из компании IBM представили первый нейросинаптический компьютерный чип, который достигает беспрецедентных масштабов в размере одного миллиона программируемых нейронов и 256 миллионов искусственных синапсов. Используя мощность 5,4 миллиардов транзисторов, этот полнофункциональный и первый в своем роде промышленный КМОП-чип потребляет всего 70 милливатт энергии, требует гораздо меньше мощности, чем любой современный микропроцессор, и функционирует в режиме реального времени. Новое решение, разработанное в сотрудничестве с университетом Cornell Tech, знаменует существенный рывок вперед в области широкого развития использования когнитивных технологий.
Современные компьютеры не могут одновременно имитировать когнитивные способности человеческого мозга и при этом потреблять сравнительно небольшое количество энергии. С целью наделить вычислительные машины этой способностью, ученые из IBM создали нечто ранее не существовавшее — новую масштабируемую и эффективную компьютерную архитектуру, которая не соответствует принципам архитектуры фон Неймана, широко используемой разработчиками еще с 1946 года.
Создание компьютерного чипа нового поколения — результат почти 10 лет тщательных исследований, включая разработку одноядерного прототипа в 2011 году, а также программной экосистемы с использованием нового языка программирования и симулятора чипа в 2013 году.
Новая когнитивная архитектура включает однокристальную двухмерную самоорганизующуюся mesh-сеть, состоящую из 4096 распределенных цифровых нейросинаптических ядер, каждый модуль которых интегрирован с коммуникационными, вычислительными и модулями памяти. Архитектура также отличается особой отказоустойчивостью и производит вычисления параллельно на основе событий. Для обеспечения масштабирования соседние чипы могут быть мгновенно интегрированы между собой, что позволяет создать базу для будущих нейросинаптических суперкомпьютеров.
Начиная с 2008 года, проект финансируется Управлением перспективных исследований Министерства обороны США (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA). Сумма инвестиций составила порядка 53 миллионов долларов. Средства были направлены на финансирование Фазы 0, Фазы 1, Фазы 2 и Фазы 3 программы SyNAPSE (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics), реализуемой в сотрудничестве с Cornell Tech и iniLabs, Ltd.
Чип был произведен по
«Это по-настоящему удивительное достижение — задействовать технологию, традиционно используемую при производстве коммерческих мобильных устройств, для создания чипа, который имитирует работу человеческого мозга и способен обрабатывать огромные массивы данных при крайне низких энергозатратах, — сказал Шон Хан (Shawn Han), вице-президент Foundry Marketing, Samsung Electronics. — Это большой архитектурный прорыв, который представляет огромную ценность для индустрии, активно развивающейся в направлении обработки больших данных и облачных вычислений. Мы рады, что IBM выбрала технологию Samsung для создания чипов нового поколения».
Компоненты чипа были созданы с использованием методологии асинхронного программирования, разработанной исследователями университета Cornell Tech и усовершенствованной совместно с учеными из IBM.
«Благодаря многолетнему сотрудничеству с компанией IBM мы существенно приблизились к созданию компьютера, имитирующего деятельность человеческого мозга», — прокомментировал профессор Раджит Манохар (Rajit Manohar), университет Cornell Tech.
Сочетание уникальной технологии разработки, методологии гибридного асинхронно-синхронного программирования и новой архитектуры привело к достижению плотности потока энергии в размере 20 милливатт на квадратный сантиметр, что практически в четыре раза меньше, чем соответствующие показатели современных микропроцессоров.
Новый чип является компонентом комплексной вертикально интегрированной экосистемы, в которую входят симулятор чипа, нейробиологические данные, суперкомпьютерные вычисления, стандарты нейронных сетей, парадигма программирования, алгоритмы вычислений и приложения, а также модели прототипов. Экосистема поддерживает все аспекты программирования, включая дизайн, разработку, отладку и развертывание.
С целью сделать новое технологическое решение доступным широкому кругу потребителей, IBM разработала новые учебные программы для университетов, заказчиков, партнеров и сотрудников IBM.
Экосистема содействует дальнейшему сближению когнитивных вычислений и сенсорных данных посредством анализа и интеграции контекстно-зависимой информации в режиме реального времени, определяя ее смысл в реальной среде. Экосистема подходит для решения проблем зрительного и слухового восприятия информации, многосенсорного синтеза, а также интеграции способностей человеческого мозга в цифровые устройства, ограниченные показателями мощности, объема и скорости.
Корпорация IBM уверенно смотрит в будущее, и потому находится в процессе создания нейросинаптических суперкомпьютеров, объединяя большое количество чипов в рамках одной микросхемы и создавая системы, которые смогут достичь масштабов в размере 100 триллионов программируемых синапсов и более.
Учитывая возможности продемонстрированных ранее нейросинаптических ядер, IBM предвидит создание самообучающихся систем, которые адаптируются в условиях реального мира. В то время как современное аппаратное обеспечение создается с помощью стандартного КМОП-процесса, базовая архитектура должна использовать преимущества новейших модулей памяти, средств трехмерной интеграции, логических инструментов и сенсорных технологий для того, чтобы потреблять еще меньше энергии, занимать еще меньше пространства и обеспечивать еще большую скорость вычислений.
