TrueNorth - mikroprocesor podobny do ludzkiego mózgu

Naukowcy z IBM Research pracują nad stworzeniem najbardziej zaawansowanego technologicznie chipu, bowiem oparty zostanie podobnie jak nasz mózg – na połączeniach neuronowych. Układ zwany jako TrueNorth składa się z miliona programowalnych neuronów i 256 milionów synaps. Łącznie daje to 4096 rdzeni neurosynaptycznych. Pierwsze, inżynieryjne egzemplarze mikroprocesora wyprodukowane zostały przez Samsunga w 28-nanometrowym procesie technologicznym. Znajdziemy tu także 5.4 miliarda tranzystorów – jest to zatem jeden z najbardziej zaawansowanych technicznie układów, jakie kiedykolwiek wyprodukowała ludzkość. Dodatkowo, TrueNorth zużywa zaledwie 72 miliwatów prądu przy maksymalnym obciążeniu, co przekłada się na około 400 miliardów neurosynaptycznych operacji na sekundę per Watt. Jest 176 tysięcy razy bardziej energooszczędny niż zwykły, krzemowy mikroprocesor z wysokiej półki.

Mózg zwierząt (w tym ludzi oczywiście) jest najwydajniejszym znanym „komputerem” we wszechświecie. Jak widać na poniższym wykresie, „core clock” ludzkiego mózgu szacowany jest na dziesiątki Hertzów, natomiast całkowity pobór energii naszego osobistego komputera wynosi 20 Watt. Obecnie dostępne układy krzemowe, potrzebują tysiące, albo i nawet miliony razy więcej energii, żeby wykonywać zadania podobne, co nasz mózg. IBM przechodząc do naprawdę zaawansowanej części informatyki – sztucznej inteligencji zdaje sobie z tego sprawę, dlatego też porzucono pomysł stworzenia procesora grafenowego. Przedstawiono więc TrueNorth , który zbudowany został na podstawie neuronów i synaps.

Tak wyglądają bloki procesora oraz szczegółowa budowa rdzenia

TrueNorth jest kontynuacją sześcioletniego projektu SyNAPSE zapoczątkowanego przez IBM Research. Koszty inwestycji zostały częściowo zwrócone przez DARPA. Wynikiem działań był prototyp zaprezentowany w 2011 roku, składający się „zaledwie” z 256 neuronów oraz język programowania Corelet przedstawiony dwa lata później. Pierwowzór obecnego TrueNorth został wyprodukowany w 45-nanometrowym procesie technologicznym przez samo IBM. Chip ponadto usprawnioniono, dzięki czemu zużywa mniej energii i jest znacznie wydajniejszy. Co ciekawe, TrueNorth zbudowany jest z takich samych tranzystorów CMOS, co w zwykłych mikroprocesorach. Na tym nie koniec podobieństw do krzemowych układów.

Chip cechuje się 4096 rdzeniami neurosynaptycznymi, które ułożone zostały w siatce 64x64. Każdy z rdzeni składa się z 256 układów wejścia (aksony) i 256 układów wyjścia (neurony). Znajduje się również sporej wielkości bank pamięci SRAM (przechowywane są w nim dane o neuronach). Oprócz tego, wbudowany router przekazuje dane pomiędzy aksonami i neuronami. Informacje przepływają pomiędzy układem wejścia i wyjścia za pomocą synaps. TrueNorth zostało więc oparte na architekturze asynchronicznej Cornell Tech, która została przejęta prze IBM w 2008 roku.

Prawdopodobnie najdroższa płyta główna na świecie - zbudowana z  szesnastu procesorów TrueNorth

W blokach o strukturze siatki 256x256 umieszczono łącznie 65,536 synaps, które komunikują się z aksonami i neuronami. Oznacza to, że 65 tysięcy takich połączeń obsługuje 4096 rdzeni mikroprocesora. Jest to zatem prawdopodobnie najbardziej zaawansowany technicznie projekt, którego wydajność porównywalna jest z możliwościami zwierzęcego umysłu. Warto także wspomnieć, że TrueNorth może być używany w symetrycznej multiprocesorowej konfiguracji SMP.

Wydawać by się mogło, że głównym problemem w masowej dystrybucji chipu będzie oprogramowanie, które obsłużyłoby kilka tysięcy rdzeni. Nic bardziej mylnego – IBM, oprócz języka programowania  (Corelet) stworzyło również symulator (Compass), który pozwala na przetestowanie neurosynaptycznych programów na rzeczywistym sprzęcie komputerowym.

Ogólnie celem projektu SyNAPSE, a obecnie TrueNorth jest sprawienie, aby specjalnie napisane programy w pełni wykorzystywały możliwości tego symulatora umysłu. Do tego potrzebne jest również dedykowany sprzęt. Specjalny hardware pozwoliłby w pełni wykorzystać TrueNorth, bowiem emulatory dość znacząco obniżają osiągi mikroprocesora. To dlatego IBM chwali się nowym chipem i jego, robiącą piorunujące wrażenie specyfikacją.  Poza tym zużywa 176 tysięcy razy mniej energii aniżeli standardowe CPU. Ponadto TrueNorth jest 769 razy szybsze od multiprocesorowej konfiguracji neuromorficznej (48 procesorów – każdy z nich ma po 18 rdzeni). Na koniec – obecnie najszybszy superkomputer na świecie ma wydajność 4.5 miliarda FLOPS na Watt. TrueNorth – 400 miliardów operacji synaptycznych SOPS na Watt. ;-)