Neuromorfní výpočty a počítače: Dlouhá cesta od kořenů ke skutečnému životu

Před deseti lety se řešila otázka, zda lze software a hardware přimět k tomu, aby fungoval podobně jako biologický mozek, včetně neuvěřitelné energetické účinnosti. Dnes je tato otázka zodpovězena jednoznačným ano. Nyní je pro průmysl výzvou, aby zužitkoval svou historii ve vývoji neuromorfních technologií, a odpověděl na naléhavé počítačové výzvy zítřka, dokonce na otázky života a smrti.

 

Magazín

 

 Průmyslová partnerství a benchmarky pomáhají posunout desetiletí výzkumu směrem k praktickým aplikacím v oblasti počítačového vidění v reálném čase, rozpoznávání řeči, internetu věcí, autonomních vozidel a robotiky. Neuromorfní výpočty pravděpodobně doplní technologie CPU, GPU a FPGA pro určité úlohy - jako je učení, vyhledávání a snímání - s extrémně nízkou spotřebou a vysokou účinností. Prognózy komerčního prodeje se značně liší, do roku 2028 se předpokládá růst o 12-50 %.

 

Od potenciálu k praxi

V červenci minulého roku se v Národní laboratoři Oak Ridge Ministerstva energetiky konala třetí výroční mezinárodní konference o neuromorfních systémech (ICONS). Třídenní virtuální akce nabídla zasedání výzkumných pracovníků z celého světa. Celkem se konference zúčastnilo 234 účastníků, což je téměř dvojnásobek oproti předchozímu ročníku.

Závěrečný příspěvek "Modelování šíření epidemií pomocí spike-modelů" se zabýval využitím neuromorfních počítačů ke zpomalení infekce u zranitelných skupin obyvatelstva. V době, kdy by lepší a přesnější modely mohly být vodítkem pro národní politiky a zachránit nevýslovné tisíce životů, by taková práce mohla mít zásadní význam.

 

 

ICONS představuje technologii a okolní ekosystém, který je stále ještě v plenkách. Výzkumníci chválí potenciál neuromorfních počítačů, ale většina dosavadních pokroků se odehrála v akademických, vládních a soukromých výzkumných a vývojových laboratořích. Zdá se, že se však chystá změna.

Společnost Sheer Analytics & Insights odhaduje, že celosvětový trh neuromorfních počítačů v roce 2020 činila skromných 29,9 milionu dolarů - během následujících osmi bude růst o 50,3 % na 780 milionů dolarů. Je zřejmé, že prognózy se liší, ale velký růst se zdá být pravděpodobný. Mezi hlavní hráče patří společnosti Intel, IBM, Samsung a Qualcomm.

Výzkumníci stále řeší, kam by se měly praktické neuromorfní počítače dostat nejdříve. Pravděpodobnými kandidáty jsou vidění a rozpoznávání řeči. Autonomní vozidla by také mohla těžit z učení podobného lidskému bez rozptylování a kognitivních chyb člověka. Možnosti internetu věcí (IoT) sahají od továrních hal až po bojiště. Neuromorfní počítače nenahradí moderní CPU a GPU. Oba typy výpočetních přístupů se budou spíše doplňovat a každý z nich bude vhodný pro své vlastní druhy algoritmů a aplikací.

Znalost kořenů neuromorfních počítačů a toho, kam směřují, je užitečné pro pochopení výzev a příležitostí výpočetní techniky příští generace.

 

Inspirace: Hroty a synapse

Neuromorfní počítače začaly jako snaha o využití analogových obvodů k napodobení synaptických struktur, které se nacházejí v mozku. Mozek vyniká schopností vybírat vzory z šumu a učit se. Neuromorfní procesor vyniká ve zpracování diskrétních, jasných dat.

Z tohoto důvodu mnozí věří, že neuromorfní počítače mohou odemknout aplikace a vyřešit rozsáhlé problémy, které po desetiletí brzdily konvenční výpočetní systémy. Jedním z velkých problémů je, že procesory založené na von Neumannově architektuře musí čekat, než se data přesunou do systémové paměti a z ní. Struktury mezipaměti pomáhají toto zpoždění částečně zmírnit, ale s rostoucí rychlostí čipů se datová překážka projevuje stále výrazněji. Neuromorfní procesory se naproti tomu snaží zajistit mnohem úspornější provoz tím, že modelují základní fungování mozku.

 

 

Neurony si navzájem posílají informační impulsy ve formě pulzů, kterým se říká hroty. Načasování těchto hrotů je rozhodující, nikoli však jejich amplituda. Samotné načasování přenáší informace.

Digitálně lze hrot reprezentovat jako jeden bit, což může být mnohem efektivnější a mnohem méně energeticky náročné než běžné metody přenosu dat. Pochopení a modelování této neuronové aktivity s hroty vzniklo v padesátých letech 20. století, ale hardwarové aplikace do výpočetní techniky se začaly prosazovat až po dalších pěti desetiletích.

  

DARPA zahajuje produktivní desetiletí

V roce 2008 zahájila americká Agentura pro pokročilé obranné výzkumné projekty (DARPA) program nazvaný Systémy neuromorfní adaptivní plastové škálovatelné elektroniky (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics, SyNAPSE), jehož cílem je vyvinout nízkopříkonové elektronické neuromorfní počítače, které se škálují na biologickou úroveň.

První fází projektu bylo vyvinout synapse v nanometrovém měřítku, které by napodobovaly činnost synapsí v mozku, ale fungovaly by v architektuře založené na mikroobvodech. V roce 2009 získaly zakázku na projekt SyNAPSE dvě konkurenční soukromé organizace, z nichž každá byla podporována vlastním souborem akademických partnerů: IBM Research a HRL Laboratories, která je vlastněna společnostmi GM a Boeing.

 

V roce 2014 IBM v časopise Science odhalila plody své práce a uvedla: "Sestrojili jsme čip s 5,4 miliardami tranzistorů se 4096 neurosynaptickými jádry propojenými prostřednictvím vnitročipové sítě, která integruje 1 milion programovatelných hrotových neuronů a 256 milionů konfigurovatelných synapsí."

 

Tip! „Umělá inteligence není myšlení, je to jen předem naprogramovaný proces,“ říká Karel Kostka, pedagog, spisovatel a Čech s nejvyšším IQ

 

 

Připravil: Radek Svoboda

Sdílet: