Ένας υπερυπολογιστής που έχει προγραμματιστεί να κυκλοφορήσει στο διαδίκτυο τον Απρίλιο του 2024 θα είναι σε θέση να ανταγωνιστεί την εκτιμώμενη επεξεργαστική ισχύ του ανθρώπινου εγκεφάλου, 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 (σημαντικές βιολογικές δομές που απαρτίζουν το νευρικό μας σύστημα) στην κλίμακα του ανθρώπινου εγκεφάλου.
Το DeepSouth είναι μέρος μιας προσέγγισης που ονομάζεται νευρομορφικός υπολογισμός, που στοχεύει να μιμηθεί τις βιολογικές διεργασίες του ανθρώπινου εγκεφάλου. Διευθύνεται από το Διεθνές Κέντρο Νευρομορφικών Συστημάτων 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 σε τρισεκατομμύρια συνδέσεις (συνάψεις), ο εγκέφαλος μπορεί να ανταγωνιστεί τους ισχυρότερους υπερυπολογιστές του κόσμου ενώ χρησιμοποιεί μόνο την ίδια ενέργεια με μια λάμπα ψυγείου.
Οι υπερυπολογιστές, από την άλλη πλευρά, καταλαμβάνουν γενικά πολύ χώρο και απαιτούν μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας για να λειτουργήσουν. Ο ισχυρότερος υπερυπολογιστής στον κόσμο, ο Hewlett Packard Enterprise Frontier, μπορεί να εκτελέσει κάτι περισσότερο από ένα τρισεκατομμύριο λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο. Καλύπτει έκταση 680 τετραγωνικών μέτρων και απαιτεί 22,7 μεγαβάτ (MW) για να λειτουργήσει.
Ο εγκέφαλός μας μπορεί να εκτελέσει τον ίδιο αριθμό λειτουργιών ανά δευτερόλεπτο με ισχύ μόλις 20 watt και βάρος μόλις 1,3 έως 1,4 κιλά. Ο νευρομορφικός υπολογισμός στοχεύει, μεταξύ άλλων, να ξεκλειδώσει τα μυστικά αυτής της εκπληκτικής αποτελεσματικότητας.
Τρανζίστορ στο όριο
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 βασική δομή που παρουσίασε ο von Neumann πριν από σχεδόν 80 χρόνια. Όλα αυτά έχουν διαφορετικές μονάδες επεξεργασίας και αποθήκευσης στις οποίες 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 τρανζίστορ πλησιάζουν τώρα την ατομική κλίμακα. Σε αυτά τα μικροσκοπικά μεγέθη, η υπερβολική παραγωγή θερμότητας είναι πρόβλημα, όπως και ένα φαινόμενο που ονομάζεται κβαντική σήραγγα, το οποίο επηρεάζει τη λειτουργία των τρανζίστορ. Αυτό επιβραδύνει και τελικά θα σταματήσει τη σμίκρυνση των τρανζίστορ.
Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, οι επιστήμονες εξερευνούν νέες προσεγγίσεις στους υπολογιστές, ξεκινώντας από τον ισχυρό υπολογιστή που όλοι κρύβουμε στο κεφάλι μας, τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Ο εγκέφαλός μας δεν λειτουργεί σύμφωνα με το μοντέλο υπολογιστή του John von Neumann. Δεν έχουν ξεχωριστούς χώρους υπολογιστών και αποθήκευσης.
Αντίθετα, λειτουργούν συνδέοντας δισεκατομμύρια νευρικά κύτταρα που μεταδίδουν πληροφορίες με τη μορφή ηλεκτρικών παλμών. Οι πληροφορίες μπορούν να περάσουν από τον έναν νευρώνα στον επόμενο μέσω μιας σύνδεσης που ονομάζεται σύναψη. Η οργάνωση των νευρώνων και των συνάψεων στον εγκέφαλο είναι ευέλικτη, επεκτάσιμη και αποτελεσματική.
Στον εγκέφαλο -σε αντίθεση με τον υπολογιστή- η μνήμη και οι υπολογισμοί ελέγχονται από τους ίδιους νευρώνες και συνάψεις. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1980, οι επιστήμονες μελετούν αυτό το μοντέλο με την πρόθεση να το μεταφέρουν στην επιστήμη των υπολογιστών.
Μίμηση ζωής
Οι νευρομορφικοί υπολογιστές βασίζονται σε πολύπλοκα δίκτυα απλών, στοιχειωδών επεξεργαστών (που λειτουργούν όπως οι νευρώνες και οι συνάψεις του εγκεφάλου). Το κύριο πλεονέκτημα είναι ότι αυτές οι μηχανές είναι «παράλληλες» στη φύση τους.
Αυτό σημαίνει ότι σχεδόν όλοι οι επεξεργαστές σε έναν υπολογιστή, όπως οι νευρώνες και οι συνάψεις, μπορούν να λειτουργούν ταυτόχρονα και να επικοινωνούν 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 χαμηλότερη. Αν και οι νευρώνες μερικές φορές 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 την επεξεργαστική ισχύ του εγκεφάλου γενικά επειδή δεν υπάρχει διαχωρισμός μεταξύ μνήμης και επεξεργαστή, γεγονός που προκαλεί επιβράδυνση στις κλασικές μηχανές (von Neumann). Αλλά εξαλείφει επίσης την ανάγκη εκτέλεσης μιας συγκεκριμένης εργασίας πρόσβασης σε δεδομένα από ένα στοιχείο κύριας μνήμης, όπως συμβαίνει με τα παραδοσιακά συστήματα υπολογιστών, και καταναλώνει σημαντική ποσότητα ενέργειας.
Οι αρχές που μόλις περιγράφηκαν είναι η κύρια έμπνευση για το DeepSouth. Αυτό δεν είναι το μόνο νευρομορφικό σύστημα που είναι ενεργό επί του παρόντος. Άξιο αναφοράς είναι το Human Brain Project (HBP), το οποίο χρηματοδοτείται στο πλαίσιο μιας πρωτοβουλίας της Ε.Ε. Το HBP λειτούργησε από το 2013 έως το 2023 και οδήγησε στο BrainScaleS, ένα μηχάνημα στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας που μιμείται τον τρόπο που λειτουργούν οι νευρώνες και οι συνάψεις.
Το BrainScaleS μπορεί να προσομοιώσει τον τρόπο με τον οποίο οι νευρώνες «αιχνιάζουν», τον τρόπο με τον οποίο μια ηλεκτρική ώθηση ταξιδεύει κατά μήκος ενός νευρώνα στον εγκέφαλό μας. Αυτό θα έκανε το BrainScaleS ιδανικό υποψήφιο για τη μελέτη των μηχανισμών 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 αποτελέσουν την αρχή μιας αλλαγής του παιχνιδιού. Παρέχουν βιώσιμη και οικονομικά προσιτή υπολογιστική ισχύ και επιτρέπουν στους ερευνητές να αξιολογούν μοντέλα νευρολογικών συστημάτων. Αποτελούν ιδανική πλατφόρμα για μια σειρά εφαρμογών. Έχουν τη δυνατότητα να βελτιώσουν 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.
Ο Domenico Vicinanza δεν εργάζεται, δεν συμβουλεύει, δεν κατέχει μετοχές ή δεν λαμβάνει χρηματοδότηση από οποιαδήποτε εταιρεία ή οργανισμό που θα επωφεληθεί από αυτό το άρθρο και δεν έχει αποκαλύψει σχετικές σχέσεις πέρα από την ακαδημαϊκή τους απασχόληση.