A digitális eszközök szinkronban működő áramkörökre alapulnak. Ez egyben azt is jelenti, hogy egy bináris rendszer csak annyira lehet gyors, mint amekkora tempót a feldolgozási lánc leglassabb eleme enged. Ezzel szemben az emberi agy nem így dolgozik, a neuronjaink közötti kapcsolati háló számos tekintetben nagyságrendekkel optimálisabb működésre képes még a mai szuperszámítógépekhez viszonyítva is.

Éppen ezért hosszú évek óta zajlik a kutatás egy, az agyunkat valósághűen leképező számítógépes rendszer létrehozására. Ennek egyik eredménye a TrueNorth – az a négy négyzetcentiméternyi méretű lapka, mely 5,4 milliárd tranzisztort és 1 millió neuront tartalmaz. Utóbbiak 256 millió szinapszison keresztül kommunikálnak egymással, ezzel szimulálva az agy működését.

Aszinkron váltófutás

Rajit Manohar nevéhez kapcsolódik a chip létrehozása. A szakember a Cornell Egyetemen kezdett foglalkozni vele, IBM kutatók egy, a témában jártas csoportjának együttműködésével. Nem meglepő módon a fejlesztéshez szükséges anyagi erőforrásokat a DARPA biztosította a projekt számára, a Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics (SyNAPSE) program keretei között.

A lapka érdekessége, hogy úgynevezett neuromorf chipről van szó, vagyis az áramköri kialakítását nem (kizárólag) a korábbi processzorok létrehozása során szerzett tapasztalatok inspirálták, hanem elsősorban az élőlények agyának működése. Fejlesztői szerint hiába csupán bélyegnyi a mérete, ez lehet az első olyan szilíciumlapka, ami évtizedek után ismét alapvető változásokat hozhat a számítógépek gyártásában és felhasználásában.

Különlegessége aszinkron működésében rejlik: az áramkörökben minden egyes funkció engedélyezve van, nem csupán egyetlen részfeladatra koncentráló alegységekből áll össze a teljes egész. Így belülről nézve egyfajta váltóversenyre emlékeztet a feladatfeldolgozás: számos alegység dolgozik egy feladat végrehajtásán, és a győztes eredménye adja a kimenetet. A nagyobb összetettség és a kevesebb energia felhasználása miatt az összes funkció aszinkronban és párhuzamosan működik. Pont úgy, ahogyan agyunk (legalábbis az agykutatók szerint).

A TrueNorth neuronjai egymással párhuzamosan dolgoznak, mindegyik elvégezve a feladat megoldásához szükséges összes tevékenységet. Elektromos töltések sorozatával (tüskékkel) kommunikálnak egymással, egészen alacsonyan tartva a lapka fogyasztását. Mindössze 70 milliwattra van szüksége, ami a töredéke egy hagyományos számítógép hasonló paraméterének.

Rajit Manohar

Mit lehet kezdeni egy dongó agyi kapacitásával?

Az agy neuronjai eseményvezérelten működnek, szükségtelenné téve a szinkronizációt. A DARPA SyNAPSE ambiciózus céljainak eléréséhez vezető egyik kulcs egy olyan, eseményalapú áramkör létrehozása és alkalmazása, melyben az aszinkron áramkörök természetes komponensként üzemelnek, foglalta össze Dharmendra Modha. Az IBM Almaden Research Centerének Cognitive Computing csoportját vezető kutató Manoharban látta ennek zálogát, ezért csábította át a Kék Óriáshoz.

Nem árt tudni, hogy a területen elért minden fejlődés ellenére a tudósok mindmáig nem értik pontosan az agy működését. Számos olyan dologra képes gondolkodó szervünk párhuzamos feldolgozórendszere, amit a számítástechnikában jelenleg (még) nem lehet megvalósítani. Ezen változtathat a TrueNorth, melynek tudását próbára is tette a kutatócsapat. Létrehoztak egy több tárgyat is észlelni és beazonosítani képes alkalmazást, melyet két kihívás elé állítottak. Az egyik szerint fel kellett ismerni egy videón a rövid időre felbukkanó embereket, bicikliseket, autókat, teherautókat és buszokat, a másik pedig minden egyes objektum megfelelő beazonosítására irányult. A chip mindkettővel megbirkózott.

Mint kiderült, a látványos eredmények felmutatásához nem is kell elérni az emberi agy összetettségét. Az IBM kutatói szerint lapkájuk nagyjából egy dongó agyi kapacitásával vetekszik, mégis képes értelmezni az emberi kézmozdulatokat és ennek megfelelően például televíziós csatornát váltani (ezt a Samsunggal közös munkájuk révén érték el a kutatók).

Ehhez azonban nem csak magának a chipnek a kifejlesztésére volt szükség, hanem azokat az eszközöket is létre kellett hozni, amikkel meg lehetett építeni a lapkát. A jelenleg használt CAD szoftverek ugyanis – érhető módon – nem felelnek meg erre a célra. Ez egyben az egyik fő gátló tényezője is annak, hogy a téma iránt érdeklődők aszinkron áramkörökkel kísérletezhessenek. A szomorú helyzet az, hogy hiába fejlődik dollármilliárdokból minden évben a CAD-eszközök világa, de ebbe nem fér bele az aszinkron design támogatása. Ez vezette az IBM szakembereit oda, hogy saját CAD-eszközöket kellett írniuk.

Szinte felmérhetetlen távlatok nyílnak meg

Számos előnnyel kecsegtet a megszokottól eltérő kialakítás. A TrueNorth például nem különíti el olyan élesen egymástól a feldolgozói és adattároló egységeket, mint azt a hagyományos számítástechnika teszi. Neurális hálózata egyszerre több feladaton is dolgozhat ütemezés nélkül, ledobva a lineáris műveletvégrehajtás hagyományos utasításfeldolgozást gúzsba kötő korlátait.

Megváltozhat a valódi embereket a robotizált algoritmusoktól kiszűrő módszerek jövője is. Míg a megszokott számítógépek a nyers számítási erő tekintetében rengeteget fejlődtek, a képfelismeréssel mindmáig nehezen birkóznak meg. Ezért lehet még mindig hatékony a CAPTCHA a spammerek kiszűrésében. Ha azonban a TrueNorth képességei elterjednek, akkor új módszerre lesz szükség ebben a tekintetben. A neuromorf számítástechnika lehet a kulcsa az önvezető autók általánossá válásának is, de a még inkább emberszerű robotok elterjedésében és a látássérülteket segítő eszközök tökéletessé tételében is komoly szerepet vállalhat, hogy csak néhány, kereskedelmi szempontból is érdekes területet említsünk.

Ennek elérése azonban még hosszú folyamat lesz. Jelenleg Manohar a rendszer teljesítményének fokozásán dolgozik; egy olyan multichipes rendszer kialakítását készíti elő, mellyel jelentősen megnövelhető a hatékonyság. Látván, hogy mi áll előtte, bizakodó a jövőt illetően, szerinte nem tart már elképzelhetetlenül sokáig, amíg a technológia megtalálja az utat a mindennapi eszközök felé.