Nedávno jsme na Živě.cz publikovali zprávu vědců z amerického výzkumného týmu SyNAPSE, podle kterých má lidský mozek výkon 38 petaflops a paměť 3 581 terabajtů. Podle vedoucího projektu SyNPASE, Dharmendry Modhy, který šéfuje inženýrům, kteří se snaží pochopit, jak lidský mozek vlastně funguje a na základě jeho studia se pokouší sestrojit jeho křemíkovou analogii, se dočkáme podobného výkonu někdy okolo roku 2018. Není se čemu divit, pětistovka nejvýkonnějších počítačů planety dnes nabízí souhrnný výkon pouhých 17 petaflops, sedmnáct biliard matematických operací s reálnými čísly za sekundu. Dvě třetiny tohoto výkonu se nachází v USA.
Představa, že se ani několik stovek sálových počítačů, jejichž celková energetická náročnost přesahuje potřeby menšího města, nevyrovná několika kilogramům šedé hmoty, může být na první pohled těžko představitelná, skutečnost je ovšem taková, že klasický křemíkový počítač je vlastně poměrně hloupý. Počítač je rychlý jen díky tomu, že je schopen opakovat velké množství elementárních operací za jednotku času. Lidský mozek ale pracuje zcela jinak, jeho paralelismus dalece přesahuje možnosti dnešních počítačů založených na klasických mikročipech.
I když je tedy docela možné, že se inženýrům do roku 2018 podaří sestrojit počítač s výkonem 38 petaflops (ostatně dvacetipetaflopsový cluster by měla IBM sestrojit pro americkou vládu již během několika let), nelze už ani s pořádnou dávkou optimismu říci, že takový počítač dokáže stejné kousky jako lidský mozek – ten jednoduše pracuje jinak.
Blue Brain – softwarový mozek
Vedle výzkumu, jak neustále zrychlovat počítače, tak existují i vědecké týmy, které se snaží odhalit, jak vlastně lidský mozek pracuje a jeho funkčnost napodobit hardwarově nebo softwarově. O softwarovou napodobeninu se pokouší například výše jmenovaný SyNAPSE, už několik let se ale slibně rozvíjí i experiment Blue Brain, který stejně jako SyNAPSE sponzoruje americká IBM, která ostatně hraje prim i na poli paralelních superpočítačů a clusterů.
Typický design Blue Gene počítačů a blok neuronů a synapsí krysího mozku a jeho simulace (a vizualizace) v Blue Brain
Blue Brain je zcela běžný konfekční superpočítač Blue Gene/L s 8 000 procesory, který je sice na středoevropské poměry supervýkonný, v globálním měřítku je to ale celkem běžný akademický sálový počítač. Najdete jej v suterénu švýcarského „vysokého učení technického“ École Polytechnique v Lausanne společně s Henrym Markramem, který se tu snaží již od počátku milénia softwarově simulovat práci mozku. Slouží mu k tomu speciální programy Neocortical Simulator a NEURON z univerzity v Yale.
Henry Markram zpracoval model části krysího mozku i díky open source programu NEURON
Lidský mozek obsahuje sto miliard neuronů, které tvoří asi biliardu spojení - synapsí
Od poloviny devadesátých let se Markramovi podařilo zmapovat neuronovou strukturu drobného kousku krysího mozku a do roku 2007 dokázal takové částečky simulovat i ve svém křemíkovém mozku. Markram předpokládá, že pokud takové „základní obvody“ s deseti tisíci neuronů softwarově rozmnoží, podaří se mu do roku 2015 vytvořit softwarový mozek se sto miliardami neuronů (velikost lidského mozku). Nutno podotknout, že mnozí vědci jsou proti podobnému postupu poměrně skeptičtí, jelikož kvantita ještě nemusí souviset s kvalitou. Jinými slovy, to, že Markramův IBM Blue Gene dokáže simulovat sto miliard neuronů, ještě neznamená, že takový mozek bude fungovat stejně jako ten biologický. Tak dobře ho ještě neznáme.
FACETS – hardwarový mozek
Henry Markram však není jediný, o vývoj křemíkového mozku se snaží vedle jiných i evropský tým se základnou na univerzitě v Heidelbergu. Karlheinzovi Meierovi, vedoucímu tamního projektu FACETS (Fast Analog Computing with Emergent Transient States), nedodává procesorový výkon IBM, Němci si naopak vyrobili svoje vlastní experimentální křemíkové procesory – nebo spíše obvody, které se svou vnitřní logikou výrazně liší od obvodů současné elektroniky. Využívají totiž zákonitostí mozku podle stejných výzkumů, ze kterých čerpá i konkurenční Markramův projekt. Ostatně FACETS používá i jeho software.
Hotový čip by mohl v představách autorů vypadat třeba takto
Nový čip je sice vyrobený ze stejných materiálů jako každý jiný procesor, jeho tranzistory a kondenzátory jsou však zapojené do obvodu, který připomíná práci mozkové buňky. Pokud do takového obvodu vyšlete elektrický impulz, zachová se jako lidský neuron. Neuronový obvod se skládá zhruba ze stovky dílčích komponent, většinu místa na čipu ale zabírá křemíková analogie neuronových synapsí – propojení.
Podle Karlheinze je křemíkový neuron velmi efektivní, skutečně totiž existuje, není třeba ho softwarově modelovat a především, pokud by inženýři sestavili běžný superpočítačový cluster z nových „neuronových procesorů“, nejen že bychom se přiblížili výkonu mozku, ale velmi snadno bychom jej překonali. Podle Karlheinze by takový počítač pracoval 100 000krát rychleji než lidský mozek a potvrzují to i první výpočty, už totiž existuje i první prototyp.
Schéma druhé generace neuronových procesorů (kompletní schéma v PDF)
Zatím sice neobsahuje sto miliard neuronů, nahrazuje pouhopouhých 384 nervových buněk mozku, které dokážou vygenerovat sto tisíc synapsí, ale poslední verze by již měla nabídnout dvě stě tisíc křemíkových neuronů a padesát milionů synapsí. Vzhledem k tomu, že se elektrický proud šíří křemíkovými polovodiči mnohem rychleji než skrze biologické synapse lidského mozku, hardwarový mozek může být hotov dříve, než by mnozí původně očekávali.
FACETS možná připraví cestu umělé inteligenci
Karlheinzův mozek nebude mít osobnost, SkyNet nebo Matrix tak lidstvo v dohledné době neovládne, může ale vyřešit problémy současných superpočítačových technologií. Vzruchy v biologických neuronech jsou směšně pomalé – elektrický proud se vodičem šíří mnohem rychleji.
Proč se tedy ani pět set nejvýkonnějších počítačů světa nevyrovná jednomu mozku? Mozek je sice pomalý, je to ale dokonalý paralelní stroj. Sto milionů neuronů a nepředstavitelné množství synapsí v jediném čase dokáže zpracovat takové množství informací, se kterým si neporadí ani počítač, který je sice sériově mnohem rychlejší, jeho taktu se mozek nevyrovná, s takovým superparalelismem si ale neporadí.
Superpočítače tyto nedostatky řeší stále větší velikostí, bez problému zaberou patro administrativní budovy, specifickým softwarem a specifickými výpočty – jednoduše řečeno, ne každou výpočetní úlohu lze efektivně rozdělit na malé části a ty pak paralelně zpracovávat vedle sebe. Superpočítače tak dnes mají obrovský výkon spíše proto, aby mohly v reálném čase zpracovávat obrovské množství různých projektů a výzkumů, které vzájemně vůbec nemusí souviset. Stěží dnes najdete cluster, jehož plného výkonu by dokázala využít jedna jediná smysluplná aplikace.
Druhou vadou na krase klasických paralelních superpočítačů je přímá úměra mezi výkonem a režií. Samozřejmě si můžete postavit stroj s výkonem několika petaflopsů – jednoduše řečeno je to jen otázka škálování, problém ale spočívá v tom, že část výkonu se spotřebuje jen na obsluhu takového systému. A taková ztráta by pak vyšla pěkně draho.
Nové podoby neuronových čipů by takové neduhy mohly částečně řešit, jsou totiž konstruované výhradně pro paralelní práci. Na skutečný procesor si ale ještě několik let počkáme a spíše než aby odhaloval záhady lidského mozku, bude předurčen k rozvoji umělé inteligence, je totiž ideálním adeptem pro biologické modely programování, zejména tzv. neuronové sítě, což jsou algoritmy, které napodobují šíření informace skrze neurony a synapse. Projekt FACETS má nyní k dispozici čtrnáctimilionový dolarový rozpočet, podílí se na něm vědecké týmy ze sedmi evropských zemí a v plánu už má i další exemplář čipu, který bude obsahovat miliardu křemíkových neuronů a desítky bilionů synapsí. Ještě to sice není člověk, krysa se nám ale už možná podaří. Co myslíte?
Zajímavé zdroje: