IBM dokonuje przełomu w budowie procesorów symulujących mózg

TrueNorth jest niezwykle wydajny - zużywa zaledwie 72 miliwaty przy maksymalnym obciążeniu, co przekłada się na około 400 mld synaptycznych operacji na sekundę na wat, czyli jest około 176 tys. razy bardziej wydajny niż tak obciążony nowoczesny procesor o standardowej budowie.

Mózgi zwierząt, w tym naturalnie mózg ludzki, są zdecydowanie najbardziej wydajnymi komputerami w znanym wszechświecie. Ludzki mózg ma "szybkość zegara", ocenianą na podstawie pracy neuronów, na dziesiątki Hz oraz całkowity pobór mocy około 20 watów. Nowoczesny układ krzemowy, pomimo tworzenia go w prawie tak samo małej skali, jak biologiczne neurony i synapsy, zużywa tysiące lub miliony razy więcej energii, aby wykonać to samo zadanie.

Zbudowane procesora TrueNorth stanowi kulminację sześcioletniego projektu SyNAPSE realizowanego przez IBM Research. Prace, które od 2008 r. były częściowo finansowane przez DARPA, doprowadziły w 2011 r. do uzyskania prototypowego chipu o zaledwie 256 neuronach. Nowy chip jest drugą generacją prototypu z 2011 r., skonstruowaną w oparciu o 28 nm proces Samsunga, i jest o rzędy wielkości bardziej skomplikowany, funkcjonalny i wydajny. Układ z 2008 r. wykonano w 45 nm technologii IBM.

W układzie TrueNorth zaimplementowano standardowe tranzystory CMOS, tak jak CPU w domowym komputerze, ale na tym koniec podobieństw. Każdy chip TrueNorth składa się z 4096 neurosynaptycznych rdzeni rozmieszczonych w siatce 64 x 64. Każdy rdzeń jest niezależny i ma 256 wejść (aksonów), 256 wyjść (neuronów), duży bank pamięci SRAM (który przechowuje dane dla każdego neuronu) oraz router, który pozwala na transmisję z dowolnego neuronu do dowolnego aksonu. Cała architektura TrueNorth bazuje zasadniczo na asynchronicznym rozwiązaniu opracowanym w Cornell Tech, udoskonalanym przez IBM od 2008 r.

16 chipów TrueNorth IBM - prawdopodobnie jedna z najdroższych płyt głównych na świecie
źródło: ExtremTech

Jednym z kluczowych problemów związanych z opracowaniem procesora opartego na nowej architekturze jest to, że trzeba też stworzyć narzędzia programistyczne i oprogramowanie, które rzeczywiście pozwolą na skuteczne wykorzystanie tysięcy rdzeni i miliardów synaps. I IBM już takie narzędzia ma. Od ubiegłego roku specjalistyczny język programowania Corelet oraz symulator Compass umożliwia tworzenie i testowanie neuromorficznych programów przed ich uruchamianiem na aktualnie dostępnym sprzęcie.

Przy liczbie 256x256 (65536) konfigurowalnych synaps na rdzeń, tworzących dwuwymiarową sieć wzajemnych połączeń między 4096 rdzeniami, można chyba mówić o najbardziej masowo równoległym układzie w historii. Chipy TrueNorth mogą być wykorzystywane w konfiguracjach symetryczne wieloprocesorowych SMP. IBM ma już zbudowany 16-chipowy system z 16 milionami neuronów i 4 miliardami synaps.

źródło: IBM, ExtremTech