Ένας νέος υπερυπολογιστής που μοιάζει με εγκέφαλο στοχεύει να ταιριάζει με την κλίμακα του ανθρώπινου εγκεφάλου

Ένας υπερυπολογιστής που έχει προγραμματιστεί να τεθεί σε λειτουργία τον Απρίλιο του 2024 θα ανταγωνιστεί τον εκτιμώμενο ρυθμό λειτουργιών στον ανθρώπινο εγκέφαλο, σύμφωνα με ερευνητές στην Αυστραλία . Το μηχάνημα, που ονομάζεται DeepSouth, είναι ικανό να εκτελεί 228 τρισεκατομμύρια λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο.

Είναι ο πρώτος υπερυπολογιστής στον κόσμο ικανός να προσομοιώνει δίκτυα νευρώνων και συνάψεων (βασικές βιολογικές δομές που συνθέτουν το νευρικό μας σύστημα) στην κλίμακα του ανθρώπινου εγκεφάλου.

Το DeepSouth ανήκει σε μια προσέγγιση γνωστή ως νευρομορφική υπολογιστική , η οποία στοχεύει να μιμηθεί τις βιολογικές διεργασίες του ανθρώπινου εγκεφάλου. Θα εκτελεστεί από το Διεθνές Κέντρο για Νευρομορφικά Συστήματα στο Πανεπιστήμιο του Δυτικού Σίδνεϊ.

Ο εγκέφαλός μας είναι η πιο εκπληκτική υπολογιστική μηχανή που γνωρίζουμε.

Κατανέμοντας την υπολογιστική του ισχύ σε δισεκατομμύρια μικρές μονάδες (νευρώνες) που αλληλεπιδρούν μέσω τρισεκατομμυρίων συνδέσεων (συνάψεις), ο εγκέφαλος μπορεί να ανταγωνιστεί τους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές στον κόσμο, ενώ απαιτεί μόνο την ίδια ισχύ που χρησιμοποιείται από έναν λαμπτήρα ψυγείου.

Οι υπερυπολογιστές, εν τω μεταξύ, καταλαμβάνουν γενικά πολύ χώρο και χρειάζονται μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας για να λειτουργήσουν. Ο ισχυρότερος υπερυπολογιστής στον κόσμο , ο Hewlett Packard Enterprise Frontier , μπορεί να εκτελεί κάτι περισσότερο από ένα πεμπτοκατομμύριο λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο. Καλύπτει 680 τετραγωνικά μέτρα (7.300 τετραγωνικά πόδια) και απαιτεί 22,7 μεγαβάτ για να λειτουργήσει.

Ο εγκέφαλός μας μπορεί να εκτελέσει τον ίδιο αριθμό λειτουργιών ανά δευτερόλεπτο με ισχύ μόλις 20 watt, ενώ ζυγίζει μόλις 1,3 έως 1,4 κιλά. Μεταξύ άλλων, ο νευρομορφικός υπολογισμός στοχεύει να ξεκλειδώσει τα μυστικά αυτής της εκπληκτικής αποτελεσματικότητας.

 
Τρανζίστορ στα όρια

Στις 30 Ιουνίου 1945, ο μαθηματικός και φυσικός John von Neumann περιέγραψε τη σχεδίαση μιας νέας μηχανής, του Electronic Discrete Variable Automatic Computer (Edvac) . Αυτό καθόρισε αποτελεσματικά τον σύγχρονο ηλεκτρονικό υπολογιστή όπως τον ξέρουμε.

Το smartphone μου, ο φορητός υπολογιστής που χρησιμοποιώ για να γράψω αυτό το άρθρο και ο πιο ισχυρός υπερυπολογιστής στον κόσμο μοιράζονται την ίδια θεμελιώδη δομή που εισήγαγε ο von Neumann πριν από σχεδόν 80 χρόνια. Όλα αυτά έχουν ξεχωριστές μονάδες επεξεργασίας και μνήμης , όπου τα δεδομένα και οι οδηγίες αποθηκεύονται στη μνήμη και υπολογίζονται από έναν επεξεργαστή.

Για δεκαετίες, ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα μικροτσίπ διπλασιαζόταν περίπου κάθε δύο χρόνια, μια παρατήρηση γνωστή ως Νόμος του Μουρ . Αυτό μας επέτρεψε να έχουμε μικρότερους και φθηνότερους υπολογιστές.

Ωστόσο, τα μεγέθη των τρανζίστορ πλησιάζουν τώρα την ατομική κλίμακα . Σε αυτά τα μικροσκοπικά μεγέθη, η υπερβολική παραγωγή θερμότητας είναι ένα πρόβλημα, όπως και ένα φαινόμενο που ονομάζεται κβαντική σήραγγα, το οποίο παρεμβαίνει στη λειτουργία των τρανζίστορ. Αυτό επιβραδύνεται και τελικά θα σταματήσει τη σμίκρυνση των τρανζίστορ.

Για να ξεπεράσουν αυτό το ζήτημα, οι επιστήμονες εξερευνούν νέες προσεγγίσεις στον
υπολογιστή , ξεκινώντας από τον ισχυρό υπολογιστή που όλοι έχουμε κρυμμένο στο κεφάλι μας, τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Ο εγκέφαλός μας δεν λειτουργεί σύμφωνα με το μοντέλο του υπολογιστή του John von Neumann. Δεν έχουν χωριστές περιοχές υπολογιστών και μνήμης.

Αντίθετα, λειτουργούν συνδέοντας δισεκατομμύρια νευρικά κύτταρα που επικοινωνούν πληροφορίες με τη μορφή ηλεκτρικών παλμών. Οι πληροφορίες μπορούν να περάσουν από τον έναν νευρώνα στον επόμενο μέσω μιας διασταύρωσης που ονομάζεται σύναψη . Η οργάνωση των νευρώνων και των συνάψεων στον εγκέφαλο είναι ευέλικτη, επεκτάσιμη και αποτελεσματική.

Έτσι, στον εγκέφαλο – και σε αντίθεση με έναν υπολογιστή – η μνήμη και ο υπολογισμός διέπονται από τους ίδιους νευρώνες και συνάψεις. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1980, οι επιστήμονες μελετούν αυτό το μοντέλο με την πρόθεση να το εισαγάγουν στον υπολογιστή.

 
Μίμηση Ζωής

Οι νευρομορφικοί υπολογιστές βασίζονται σε περίπλοκα δίκτυα απλών, στοιχειωδών επεξεργαστών (που λειτουργούν όπως οι νευρώνες και οι συνάψεις του εγκεφάλου). Το κύριο πλεονέκτημα αυτού είναι ότι αυτές οι μηχανές είναι εγγενώς “παράλληλες”.

Αυτό σημαίνει ότι, όπως συμβαίνει με τους νευρώνες και τις συνάψεις , σχεδόν όλοι οι επεξεργαστές σε έναν υπολογιστή μπορούν ενδεχομένως να λειτουργούν ταυτόχρονα, επικοινωνώντας παράλληλα.

Επιπλέον, επειδή οι υπολογισμοί που εκτελούνται από μεμονωμένους νευρώνες και συνάψεις είναι πολύ απλοί σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς υπολογιστές, η κατανάλωση ενέργειας είναι τάξεις μεγέθους μικρότερη. Αν και μερικές φορές οι νευρώνες θεωρούνται ως μονάδες επεξεργασίας και οι συνάψεις ως μονάδες μνήμης, συμβάλλουν τόσο στην επεξεργασία όσο και στην αποθήκευση. Με άλλα λόγια, τα δεδομένα βρίσκονται ήδη εκεί που το απαιτεί ο υπολογισμός.

Αυτό επιταχύνει τους υπολογισμούς του εγκεφάλου γενικά επειδή δεν υπάρχει διαχωρισμός μεταξύ μνήμης και επεξεργαστή, κάτι που στις κλασικές μηχανές (von Neumann) προκαλεί επιβράδυνση. Αλλά αποφεύγει επίσης την ανάγκη εκτέλεσης μιας συγκεκριμένης εργασίας πρόσβασης σε δεδομένα από ένα στοιχείο κύριας μνήμης, όπως συμβαίνει στα συμβατικά συστήματα υπολογιστών και καταναλώνει σημαντική ποσότητα ενέργειας.

Οι αρχές που μόλις περιγράψαμε είναι η κύρια έμπνευση για το DeepSouth. Αυτό δεν είναι το μόνο νευρομορφικό σύστημα που είναι ενεργό επί του παρόντος. Αξίζει να αναφερθεί το Human Brain Project (HBP) , που χρηματοδοτείται στο πλαίσιο μιας πρωτοβουλίας της Ε.Ε. Το HBP λειτούργησε από το 2013 έως το 2023 και οδήγησε στο BrainScaleS, ένα μηχάνημα που βρίσκεται στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας, το οποίο μιμείται τον τρόπο λειτουργίας των νευρώνων και των συνάψεων.

Το BrainScaleS μπορεί να προσομοιώσει τον τρόπο με τον οποίο οι νευρώνες «αυξάνονται», τον τρόπο με τον οποίο μια ηλεκτρική ώθηση ταξιδεύει κατά μήκος ενός νευρώνα στον εγκέφαλό μας. Αυτό θα έκανε το BrainScaleS έναν ιδανικό υποψήφιο για τη διερεύνηση της μηχανικής των γνωστικών διεργασιών και, στο μέλλον, των μηχανισμών που κρύβονται πίσω από σοβαρές νευρολογικές και νευροεκφυλιστικές ασθένειες.

Επειδή έχουν σχεδιαστεί για να μιμούνται πραγματικούς εγκεφάλους, οι νευρομορφικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να είναι η αρχή μιας καμπής. Προσφέροντας βιώσιμη και οικονομικά προσιτή υπολογιστική ισχύ και επιτρέποντας στους ερευνητές να αξιολογούν μοντέλα νευρολογικών συστημάτων, αποτελούν ιδανική πλατφόρμα για μια σειρά εφαρμογών. Έχουν τη δυνατότητα να προωθήσουν την κατανόησή μας για τον εγκέφαλο και να προσφέρουν νέες προσεγγίσεις στην τεχνητή νοημοσύνη .

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation με άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο .

Πίστωση εικόνας: marian anbu juwan /  Pixabay