В Samsung придумали способ скопировать человеческий мозг в нейроморфные чипы

Время на прочтение: 6 минут(ы)
Изображение нейронов крысы, нанесенное поверх наноэлектродной матрицы CMOS Фото: Park Research Group at Harvard
Изображение нейронов крысы, нанесенное поверх наноэлектродной матрицы CMOS Фото: Park Research Group at Harvard

Инженеры совместно с учёными Гарвардского университета предложили новую идею, которая на шаг приблизит технологический мир к созданию нейроморфных чипов, имитирующих работу мозга. Подробности были опубликованы в издании Nature Electronics, статья получила название «Нейроморфная электроника, основанная на копировании и вставке мозга».

Суть выдвинутой авторами концепции действительно точнее всего передаётся словами «копировать» и «вставить». В статье предлагается способ копирования нейронных связей мозга при помощи массива наноэлектродов, разработанного профессором Гарвардского университета и сотрудником института SAIT ( Advanced Institute of Technology) Дон Хи Хамом (Donhee Ham), а также профессором Гарвардского университета Хон Кун Паком (Hongkun Park). Созданная таким образом карта далее вставляется в модуль трёхмерной сети твердотельной памяти — в данной области Samsung является одним из мировых лидеров.

При помощи этого подхода «копирования и вставки» авторы проекта предполагают создать микросхему памяти, которая позволит достичь уникальных возможностей мозга: низкого потребления энергии, лёгкой обучаемости, адаптации к окружающей среде, а также автономности и способности к познанию — всё это было прежде недоступно для вычислительных систем.

Мозг состоит из большого числа нейронов, и схема их взаимосвязей отвечает за его работу. Поэтому знание точной карты мозга оказывается ключом к обратному проектированию всего мозга. Отрасль нейроморфной инженерии зародилась в восьмидесятые годы прошлого века, на тот момент её целью была имитация структуры мозга и функции нейросетей на кремниевом чипе. представлялась крайне сложной, поскольку до настоящего момента было практически невозможно составить точную карту нейронных связей, отвечающих за высшие функции мозга. Поэтому задача нейроморфной инженерии упрощалась до разработки чипа, «вдохновлённого» мозгом, но не повторяющего его в деталях.

Авторы нового проекта предложили способ вернуться к исходной цели обратной инженерии мозга. Массив наноэлектродов подключается к большому числу нейронов и записывает их электрические сигналы с высокой чувствительностью. На основе этих записей создаётся карта нейронных связей, отражающая, где соединяются друг с другом, а также насколько сильной является такая связь. В итоге из этих записей извлекается или «копируется» карта нейронной «разводки».

Скопированная таким образом нейронная карта затем «вставляется» в сеть энергонезависимой памяти — это может быть традиционная коммерческая флеш-память, которая используется в повседневной жизни в твердотельных накопителях (SSD), или память нового поколения RRAM, где проводимость каждого элемента соответствует силе нейронной связи в скопированной ранее карте.

Читайте также:  На рынке «дополненного человечества» Европы аналитики предсказали бурный рост

В статье также предлагается способ быстрой «вставки» карты нейронных связей в сеть электронной памяти. Сеть специально спроектированных энергонезависимых запоминающих элементов в итоге отражает карту нейронных связей, и она приводится в действие посредством зафиксированных межклеточных сигналов. Иными словами, производится прямая выгрузка нейронных связей в чип памяти.

Человеческий мозг содержит примерно 100 млрд нейронов и примерно в тысячу раз больше синаптических связей, поэтому в итоге нейроморфный чип будет состоять примерно из 100 трлн элементов. Интеграция такого большого числа элементов стала возможной благодаря трёхмерным технологиям собственной разработки Samsung.

Используя свой передовой опыт в производстве электронных компонентов, планирует продолжить работу в области нейроморфной инженерии, чтобы укрепить своё лидерство в области полупроводниковых решений, ориентированных на работу искусственного интеллекта.

«Представленное нами видение очень амбициозно. Но работа над такой героической задачей раздвинет границы машинного интеллекта, нейробиологии и полупроводниковых технологий», — заявил профессор Хам.

Что такое нейроморфные чипы?

Нейроморфные чипы отличаются от обычных способом работы с информацией. Процессоры такого типа обрабатывают данные примерно так же, как человеческий мозг реагирует на входящие данные — благодаря совместной работе миллиардов нейронов. Связи между нейронами постоянно меняются, реагируя на внешний раздражитель — таким образом происходит обучение. По словам специалистов, нейроморфные процессоры необходимы для создания полноценного искусственного интеллекта.

Теоретически возможно создать такой суперпроцессор, который был бы построен из имитирующих работу нейронов транзисторов. Для этого существует такая область, как нейроморфная инженерия, которая посвящена переносу и воспроизведению аналоговых вычислений человеческого мозга в виде цифрового решения.

Одним из самых ярких и успешных примеров в этой сфере является модульная система TrueNorth, созданная IBM по заказу DARPA в 2014 году. Она представляет из себя искусственную сеть, построенную на базе несколько процессоров. Система вмещает в себя 4,5 миллиарда транзисторов с 256 миллионами эмулируемых синапсов. Чтобы максимально точно скопировать принцип работы мозга, инженерам удалось создать энергоэффективную сеть. Так, если для функционирования процессора Intel необходимо около 140 ватт энергии, то TrueNorth потреблял лишь 70 милливатт.

Нейроморфный процессор IBM TrueNorth Фото: University in Manchester
Нейроморфный процессор IBM TrueNorth Фото: University in Manchester

Проблемы копирования мозга

Ключевой особенностью человеческого мозга является обработка и передача информации посредством химических соединений. Если нейронов миллиарды, то синаптических связей между ними на порядок больше. Поэтому скопировать так называемое человеческое мышление в чистом виде и перенести его в «цифру» пока что невозможно. По оценке инженеров Samsung, мозг состоит из ста миллиардов нейронов и еще большего количества синаптических связей, поэтому для его переноса в цифровой формат потребуется несколько триллионов единиц независимой памяти.

Читайте также:  Путь самураев: играем в Linux в любые игры для Windows

Процесс адаптации живого мозга в искусственном виде настолько сложный, что кроме информатики ученые обращаются к биологии, математике, электронной инженерии и физике.

Архитектура большинства современных компьютеров строится на концепции, которую еще в середине XX века разработал венгеро-американский математик Джон фон Нейман. Она описывает принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера. «Архитектура фон Неймана» строится на принципах однородности памяти, адресности и программного управления, однако в ней много «узких мест». По мнению специалиста по нейросетям Кэтрин Шуман, для изобретения настоящей нейроморфной системы нужно отойти от принципов фон Неймана и больше полагаться на нейробиологию.

Перед нейроинженерией стоят две фундаментальные задачи — создать механизм, который мог бы учиться по образу живого разума и раскрыть тайну работы человеческого мозга.

Величие человеческого мозга

Благодаря эволюции человеческий мозг является практически идеально оптимизированной системой. Во-первых, мозг полностью автономен от внешней среды, во-вторых, потребляет крайне мало энергии. Если для решения проблемы основанный на концепции фон Неймана компьютер многократно перегоняет информацию между различными компонентами, то мозг выделяет для конкретного процесса отдельную группу нейронов. По оценке нейробиологов, для работы мозгу требуется около 20 ватт энергии, что примерно вдвое меньше, чем нужно современному ноутбуку. В-третьих, он чрезвычайно отказоустойчив, так как хранится в нескольких местах и в избыточном количестве.

В-четвертых, высокоорганизованный разум пластичен и способен обрабатывать несколько процессов одновременно. В отличие от машины, человек умеет быстро адаптироваться к новым условиям и решать проблемы нового типа.

Как искусственный мозг изменит нашу жизнь?

Если в будущем ученые смогут повторить структуру человеческого мозга на уровне микропроцессора, то в сегменте искусственного интеллекта произойдет революция. Находящиеся в портативных компьютерах, смартфонах, автомобилях, девайсах техники интернета вещей чипы будут на порядок умнее и сообразительнее. Возможно, машине не удастся скопировать разум и творческие возможности человека, но между человеческим мозгом и нейросетью окажется минимум отличий.

Читайте также:  Первый Bluetooth-динамик, висящий в воздухе

Используя лучшие качества мозга (а именно умение автономно и параллельно обрабатывать информацию), машина получит большую свободу в решении задач и более широкую амплитуду действий. Например, анализируя препятствие на дороге, беспилотный автомобиль сможет без обращения к серверам производителя обработать информацию и принять решение. Это ликвидирует задержку, которая возникает при общении автономного транспортного средства с удаленным центром.

Имеющие большую свободу гаджеты умного дома станут более самостоятельными и автономными. Качество локального анализа информации не будет уступать качеству обработки данных с помощью внешних систем. Машины будут экономичнее расходовать энергию, вероятность кибератаки снизится — все из-за того, что не будет выходить за пределы процессора условной умной розетки или робота-пылесоса.

По материалам: 3dnews.ru, lenta.ru

Читайте также:

Присоединяйтесь к нашему -каналу: https://t.me/technomagic и группе в Facebook.

Здесь самые популярные товары из Китая по волшебным ценам!

Похожие статьи:

5 1 голос
Рейтинг статьи
Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии