211service.com
Byg en hjerne på en siliciumchip
Et internationalt hold af forskere i Europa har skabt en siliciumchip designet til at fungere som en menneskelig hjerne. Med 200.000 neuroner forbundet med 50 millioner synaptiske forbindelser, er chippen i stand til at efterligne hjernens evne til at lære nærmere end nogen anden maskine.
En smart chip: Forskere i Europa bruger konventionelle chipproduktionsteknikker til at skabe kredsløb, der efterligner strukturen og funktionen af den menneskelige hjerne. Denne tidlige prototype har kun 384 neuroner og 100.000 synapser, men den seneste version indeholder 200.000 neuroner og 50 millioner synapser.
Selvom chippen har en brøkdel af antallet af neuroner eller forbindelser, der findes i en hjerne, gør dens design det muligt at opskalere, siger Karlheinz Meier , en fysiker ved Heidelberg Universitet i Tyskland, som har koordineret Fast Analog Computing with Emergent Transient States-projektet, eller FACETER .
Håbet er, at genskabelse af hjernens struktur i computerform kan være med til at fremme vores forståelse af, hvordan man udvikler massivt parallelle, kraftfulde nye computere, siger Meier.
Det er ikke første gang, nogen har forsøgt at genskabe hjernens funktion. En indsats kaldet Blå hjerne projekt, drevet af Henry Markram på Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, i Schweiz, har brugt enorme databaser med biologiske data registreret af neurologer til at skabe en enormt kompleks og realistisk simulering af hjernen på en IBM-supercomputer.
FACETS har benyttet sig af de samme databaser. Men i stedet for at simulere neuroner, siger Karlheinz, bygger vi dem. Ved hjælp af en standard otte-tommer siliciumwafer genskaber forskerne neuronerne og synapserne som kredsløb af transistorer og kondensatorer, designet til at producere den samme slags elektrisk aktivitet som deres biologiske modstykker.
Et neuronkredsløb består typisk af omkring 100 komponenter, mens en synapse kun kræver omkring 20. Men fordi der er så meget flere af dem, optager synapserne det meste af pladsen på waferen, siger Karlheinz.
Fordelen ved denne fastkablede tilgang, i modsætning til en simulering, fortsætter Karlheinz, er, at den giver forskere mulighed for at genskabe den hjernelignende struktur på en måde, der virkelig er parallel. At få simuleringer til at køre i realtid kræver enorme mængder computerkraft. Derudover er fysiske modeller i stand til at køre meget hurtigere og er mere skalerbare. Faktisk kan den nuværende prototype fungere omkring 100.000 gange hurtigere end en rigtig menneskelig hjerne. Vi kan simulere en dag på et sekund, siger Karlheinz.
Selvom det kan lyde usandsynligt, er neuroner faktisk meget langsomme, i det mindste sammenlignet med computere, siger Thomas Serre , en computational neuroscience forsker ved MIT. Grunden til, at computere virker meget langsommere, er, at de er serielle maskiner, mens vores hjerner kører parallelt, siger han.
FACETS er ikke den eneste gruppe, der tager denne tilgang. Forskere ved Stanford University har også skabt neuronale kredsløb og Agenturet for Forsvars Avancerede Forskningsprojekter for nylig begyndt at finansiere et lignende projekt.
Hvor FACETS er foran alle andre, er, at de bruger disse komplekse synapser, siger Markram. Mens neuronerne er ret enkle, siger han, er synapserne designet til at bruge en meget kraftfuld distribueret algoritme – udviklet af Markram – kaldet spike-timing afhængig plasticitet, der gør det muligt for enheden at lære og tilpasse sig nye situationer.
At bygge så komplekse kredsløb har krævet tæt samarbejde med neurobiologer, siger Markram. Faktisk er projektet, hvis nuværende budget er €10,5 millioner (US$14,1 millioner), afhængig af bidrag fra 15 videnskabelige grupper fra syv forskellige lande. Blandt de udfordringer, de står over for, er at genskabe hjernens tredimensionelle struktur i et 2-D stykke silicium, siger han.
På trods af bestræbelser på at gøre chipsene så biologisk plausible som muligt, indrømmer Markram, at de stadig er rå sammenlignet med, hvad der kan opnås ved simulering. Det er ikke en hjerne. Det er mere en computerprocessor, der har noget af den accelererede parallel computing, som hjernen har, siger han.
På grund af dette tvivler Markram på, at hardwaretilgangen vil give megen indsigt i, hvordan hjernen fungerer. For eksempel, i modsætning til Blue Brain, vil forskere ikke være i stand til at udføre silico-lægemiddeltestning, der simulerer virkningerne af stoffer på hjernen. Det er mere en platform for kunstig intelligens end at forstå biologi, siger han.
FACETS-gruppen planlægger nu at opskalere deres chips yderligere ved at forbinde en række wafere for at skabe en superchip med i alt en milliard neuroner og 1013 synapser.