Как сделать мозг суперкомпьютером
Добавил пользователь Алексей Ф. Обновлено: 04.10.2024
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
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 информация 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.
Изображение нейронов крысы, нанесенное поверх наноэлектродной матрицы CMOS
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.
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 информация не будет выходить за пределы процессора условной умной розетки или робота-пылесоса.
Нейрофизиологам удалось увидеть "замки из песка", которые строят в нашей голове нейроны.
Приближается знаковое событие в истории человечества: внутри компьютера в Швейцарии прямо сейчас рождается цифровой мозг — виртуальная копия настоящего с точностью до нейрона. Федеральная политехническая школа Лозанны работает над этим вместе с компанией IBM вот уже 15 лет в рамках Blue Brain Project. Они рассчитывают представить миру своё творение в 2024 году.
Этот мозг уже работает. Он воспринимает информацию и помог учёным сделать поистине фантастическое открытие. Оказалось, что мозг — это мир, насчитывающий 11 измерений. Впрочем, тут нужно сразу оговориться, что речь идёт об измерениях математических. Сейчас попробуем разобраться.
Перед нами куб. Это трёхмерная фигура. У него есть длина, ширина, высота. А теперь добавим ещё одно измерение.
Получаем тессеракт. В переводе с древнегреческого это значит "четыре луча". То есть теперь нам надо знать не только длину, ширину и высоту, но и расстояние от вершины того куба, что снаружи, до вершины того кубика, что внутри.
А дальше-то ещё хуже будет. Как вам, например, семимерный гиперкуб?
Так вот, как выяснилось, это самые что ни на есть среднестатистические конструкции, создаваемые нейронами нашего мозга в тот момент, когда он обрабатывает информацию. Случаются и 11-мерные, в которых объединены уже тысячи нервных клеток. Это неслыханно, потому что все прочие клетки нашего организма взаимодействуют максимум в четырёх измерениях. По подсчётам учёных, в малейшей "точке" нашего мозга прямо сейчас десятки миллионов таких гиперкубов и всевозможных симплексов. Нейрофизиологи сравнили их с "замками из песка" — они возникают, когда мозг работает, и распадаются сами собой, когда задача выполнена.
Для чего это изучают?
Учёные хотят понять, как работает мозг и возникают психические расстройства. Они подчеркнули, что не пытаются создать мыслящий компьютер и смоделировать человеческое сознание: наука пока даже не может с определённостью сказать, что именно представляет собой сознание, как оно возникает и зависит ли оно от сложности нейронных связей.
Если выяснится, что каждое атомное взаимодействие в головном мозге важно для работы сознания, то нужно будет имитировать все эти взаимодействия, чтобы сымитировать сознание, и это вряд ли станет возможным в течение ближайших десятилетий, если не столетий
А меж тем виртуальная нейросеть подаёт надежды: в 2015 году исследователи из Blue Brain Project обнаружили, что компьютерная модель мозга при достаточно внимательном копировании ведёт себя в точности как мозг реальный.
Впрочем, тех, кому сейчас стало страшно, можно утешить: пока что учёные трудятся над воссозданием мозга обычной мыши. И даже это стало серьёзным вызовом: шутка ли — воспроизвести сто миллионов нейронов тысяч разных типов, триллион создаваемых ими связей — синапсов. Исследователи объяснили, что мозг у этого зверька всё же достаточно сложен. Плюс это млекопитающее, как и мы. А самое главное, у грызунов тоже есть неокортекс — часть мозга, отвечающая за самую сложную деятельность. В нашей голове она занимает 80–90% всего объёма мозга. Именно благодаря ему происходит мышление, обучение, творчество, языковое общение. В его недрах рождаются сны и хранятся воспоминания. А всё остальное — это мозг "рептильный" и "лимбический", как обозначил их основоположник теории "триединого мозга" американский нейрофизиолог Пол Маклин. По его мнению, структура мозга — отражение процесса эволюции. "Рептильный" мозг — это мозговой ствол (он у нас в районе шеи) и мозжечок, их работа — самые простые, но необходимые для выживания рефлексы: глотание, выделение слюны, чихание, кашель, равновесие, координация движений. А над этой областью в виде лимба навис пояс из конечного, промежуточного и среднего мозга — там живут наши чувства, эмоции, регулируется работа внутренних органов. Проект "Голубой мозг" интересуется исключительно неокортексом.
А о том, чтобы воссоздать именно человеческий мозг, пока что и речи быть не может: ещё нигде в мире не создали столь мощный суперкомпьютер, чтобы смоделировать 85–86 миллиардов нейронов. И если столь сложную математику нейроны творят в голове грызуна, то что же тогда происходит в многомерном пространстве человеческой головы?!
Печально осознавать, что в эпоху технического прогресса человеческий мозг по-прежнему остаётся загадкой. Кроме того, мы тратим миллионы долларов на развитие гигантских суперкомпьютеров и используем огромное количество энергии из невосполнимых ресурсов, чтобы обеспечить питанием эти приборы. А сравнительно маленький по размерам человеческий мозг по многим показателям по-прежнему превосходит самые мощные компьютеры.
Суперкомпьютеру требуется 82 944 процессоров и 40 минут работы, чтобы симулировать одну секунду мозговой активности человека.
В прошлом году суперкомпьютер K использовался учёными из Окинавского технологического университета в Японии и Исследовательского центра Юлих в Германии в попытке симулировать 1 секунду активности человеческого мозга.
Компьютер смог воссоздать модель из 1,73 миллиарда нейронов (нервных клеток). Однако в человеческом мозге около 100 миллиардов нейронов. То есть в человеческом мозге примерно столько нейронов, сколько звёзд в Млечном пути. Несмотря на то, что компьютеру удалось успешно симулировать 1 секунду мозговой активности, это заняло 40 минут.
Работник Корейского научного института проверяет суперкомпьютеры в Тэджоне, Южная Корея, 5 ноября 2004 г.
Суперкомпьютер К в 2011 г. был самым быстрым компьютером в мире. Его мощность около 10,51 петафлопс, т. е. примерно 10 510 триллионов операций в секунду. Технологии развиваются стремительно, поэтому сейчас К уже на четвёртом месте, на первом месте ― Tianhe-2 (33,86 петафлопс, 33 860 триллионов операций в секунду). Таким образом, за три года нам удалось утроить вычислительную мощность самого продвинутого компьютера.
Чтобы сделать эти цифры понятнее, iPhone 5п производит примерно 0,0000768 петафлопс. Итого, самый быстрый в мире компьютер примерно в 440 000 быстрее, чем графика iPhone 5, но медленнее, чем человеческий мозг.
Мозг дёшево обходится: он достаётся бесплатно
Для сравнения: 1 мегаватт равен 1 миллиону ватт. 100-ваттная лампочка при включении берёт 100 ватт. В итоге самый быстрый компьютер потребляет столько же энергии, сколько 176 000 лампочек.
Конечно, мозгу тоже требуется энергия. Он получает её из еды, для производства которой в современной сельскохозяйственной системе требуется топливо.
Компьютеры, которые мы используем в повседневной жизни, полезны. Но некоторые эксперты сомневаются в полезности суперкомпьютеров.
Что быстрее: компьютерный модем или человеческий мозг?
Во-первых, нужно рассмотреть, сколько битов в секунду может обработать ваш мозг, затем посмотреть, сколько битов в секунду в среднем обрабатывает современный компьютер. Говоря иными словами, надо сравнить, сколько времени компьютеру требуется для загрузки изображения из Интернета, и сколько времени вам нужно, чтобы проанализировать то, что вы видите перед глазами.
Австрийский физик-теоретик Герберт В. Франке утверждал, что человеческий разум может осознанно усваивать 16 бит/с и осознанно удерживать в уме 160 бит/с. Он отмечает, что по этой причине ум может упростить любую ситуацию до 160 бит/с.
Фермин Москозо дель Прадо Мартин, когнитивный психолог из Университета Прованса во Франции, определил, что мозг обрабатывает примерно 60 бит/с. В своей статье в журнале Technology Review он сказал, что не уверен насчёт верхнего предела. То есть он не может утверждать, что мозг неспособен обработать больше 60 бит/с.
А теперь посмотрим, насколько быстро работает ваш компьютер дома.
Один мегабит в секунду равен 1 миллиону бит в секунду. Домашние модемы могут работать со скоростью от 50 мегабит в секунду до нескольких сотен мегабит в секунду. Это в миллион раз быстрее, чем ваше сознание, и, по крайней мере, в пять раз быстрее, чем ваше подсознание. То есть в этом отношении компьютеры однозначно превосходят мозг. Разумеется, эти цифры неточные, потому что с человеческим подсознанием многое до конца неясно.
Однако, хотя люди сравнительно медленно воспринимают информацию, то, как они умеют её обрабатывать, впечатляет.
Мы учимся и мы изобретаем
Учёные работают над созданием компьютеров, которые бы обладали творческими способностями. Но в настоящее время самый продвинутый искусственный интеллект в этом отношении уступает даже мозгу людей, живших тысячи лет назад.
Дьюб писал: «Чтобы найти информацию, компьютер использует расположения виртуальной памяти. В свою очередь человеческий мозг помнит, где находится информация благодаря намёкам. Они сами по себе являются единицей информации или памяти, связанной с информацией, которую надо найти.
Мозг мало изучен, и его преимущества до конца не раскрыты
В 2005 г. исследователи из Калифорнийского университета и Калифорнийского технологического института обнаружили, что лишь некоторые из 100 миллиардов нейронов в мозгу используются для хранения информации о конкретном человеке, месте или концепции. Например, они обнаружили, что когда людям показали фото актрисы Дженнифер Энистон, в мозгу реагировал один конкретный нейрон. А на фото актрисы Хэлли Берри реагировал уже другой нейрон.
Компания Meta объявила о создании AI Research SuperCluster (RSC) — нового суперкомпьютера, предназначенного для работы с задачами искусственного интеллекта. По утверждению компании, он скоро станет самым быстрым в мире. Суперкомпьютер стал результатом почти двух лет работы, часть которой велась удалённо в разгар пандемии коронавируса.
Источник изображений: Meta
Работа над суперкомпьютером возглавлялась командами искусственного интеллекта и инфраструктуры Meta. В проекте принимали участие несколько сотен специалистов, в том числе и сотрудники таких компаний, как NVIDIA, Penguin Computing и Pure Storage. Meta сообщила, что её исследовательская группа в настоящее время использует суперкомпьютер для обучения моделей искусственного интеллекта обработке естественного языка и компьютерному зрению для исследований. Цель состоит в том, чтобы расширить возможности обучаемых моделей с более чем триллионом параметров, используя наборы данных размером до эксабайта, что примерно эквивалентно 36 тысячам лет видео в высоком качестве.
Meta сообщает, что на данный момент её новый суперкомпьютер состоит из 760 систем NVIDIA DGX A100, которые в сумме содержат 6080 ускорителей вычислений NVIDIA A100, что ставит его на пятое место в рейтинге самых быстрых суперкомпьютеров мира. Для связи кластеров используется NVIDIA Quantum на InfiniBand с пропускной способностью 200 Гбит/с.
По словам Meta, к средине лета, когда RSC будет полностью достроен, он будет содержать около 16 тысяч графических процессоров NVIDIA A100, что сделает его самым быстрым суперкомпьютером для задач искусственного интеллекта в мире. Сообщается, что он сможет обрабатывать до 16 Тбайт данных в секунду. Компания отказалась раскрывать местоположение компьютера и стоимость проекта.
Искусственный интеллект обычно требует, чтобы компьютер одновременно выполнял огромное количество низкоточных вычислений. Для этой задачи очень хорошо подходят графические процессоры, имеющие тысячи вычислительных ядер, работающих одновременно. Обычные суперкомпьютеры оптимизированы для высокоточных операций, в то время как ИИ-компьютеры работают с гораздо более низкими уровнями точности, что позволяет существенно повышать скорость вычислений, не влияя на конечные результаты. Высокопроизводительная инфраструктура, такая как суперкомпьютер. необходима для обработки тех объёмов данных, которыми располагает Meta.
Сообщается, что суперкомпьютер Meta используется в исследовательских целях, и вряд ли продукты на его основе появятся в ближайшие годы. Предполагается, что цель компании состоит в том, чтобы создать модели ИИ, способные работать как человеческий мозг и даже обеспечивать контекстуальное понимание ситуаций. Они смогут работать на сотнях языков, анализировать текст, изображения, видео и разрабатывать инструменты дополненной реальности. Эта технология поможет Meta проще и более точно выявлять вредоносный контент, а также даст исследователям компании возможность разработать модели ИИ, которые смогут мыслить как человек и предложат богатый многомерный опыт в метавселенной.
Читайте также: