«ابرکامپیوتر نورومورفیک» نوعی رايانه است که با شبیه‌سازی نورون‌ها و به تقلید از ساختار عصبی در مغز انسان، قادر است فعالیت مغز انسان را نیز شبیه‌سازی کند .
پروژه SpiNNaker با سرپرستی«استیو فوربر» استاد دانشگاه منچستر طراحی و ساخته شده است. هدف نهایی این پروژه، ساخت سیستم محاسباتی پیشرفته‌ای است که بیشترین شباهت را به ساختار محاسباتی مغز دارد.
پردازشگر SpiNNaker قادر است به‌طور همزمان میلیاردها واحد اطلاعاتی را ارسال کند و هر تراشه آن دارای 100میلیون ترانزیستور است. این ماشین با الهام از ساختار شبکه‌ای اعصاب، عملکردی شبیه به مغز انسان دارد و قادر است 200میلیون محاسبه را در ثانیه انجام دهد.
برای دستیابی به این ابررایانه هزینه‌ای بالغ بر 15یلیون پوند، طی 20 سال کار در مرحله مفهومی و نظری و بیش از 10سال در مرحله ساخت صرف شده است. درحالی که مراحل اولیه ساخت آن به سال 2006 بازمی‌گردد. این پروژه را ابتدا انجمن تحقیقات مهندسی و فیزیک بریتانیا EPSRC در دانشکده علوم رايانه دانشگاه منچستر طراحی و اجرا شده و سپس «پروژه مغز انسانی اتحادیه اروپا» آن را اجرا كرده و نخستین بار اوایل نوامبر گذشته 2018- راه‌اندازی شد.
«استیو فوربر» سرپرست تیم پژوهشگران در پروژه SpiNNaker می‌گوید: «در ساخت SpiNNaker نه‌تنها روش کار رایانه‌های معمولی را به کلی مورد تجدیدنظر قرار داده، بلکه اساسا ماشینی را ایجاد کرده‌ا‌یم که عملکرد آن به مراتب بیشتر از رايانه‌هاي سنتی به کارکرد مغز انسان شباهت دارد و این به‌خودي‌خود کاری هیجان‌انگیز است.»
درواقع SpiNNaker ماشین منحصربه‌فردی بی‌شباهت به رايانه‌هاي سنتی است. زیرا به جای ارسال حجم بالایی از اطلاعات از نقطه A بهB از طریق یک شبکه استاندارد، به تقلید از ساختار ارتباطات موازی مغز طبیعی انسان، میلیاردها داده را به‌طور همزمان به هزاران مقصد مختلف ارسال می‌کند.
به گفته وی هدف نهایی از این پروژه همواره آن بوده است که یک میلیون هسته پردازنده را دریک رایانه واحد قرار دهد که به مدلی از برنامه‌های کاربردی مغز انسان در زمان واقعی دست یابیم.
سازندگان این رايانه درنهایت قصد دارند تا مدلی از یک میلیارد نورن بیولوژیکی را در زمان واقعی شبیه‌سازی کنند و اکنون گام بزرگی در این زمینه برداشته شده است. برای این‌که تصوری از این مقیاس ارائه دهیم کافی است بگوییم که مغز یک موش حدود 100 میلیون نورون را در خود دارد، درحالی که مغز انسان هزار بار بزرگ‌تر از آن است.
یک میلیارد نورون فقط يك‌درصد از مقیاس کل مغز انسان است که درحدود 100ميليارد (به‌طور دقیق 68 میلیارد) سلول مغزی یا نورون است که تماما از طریق یک کوادریلیون (یعنی يك با 15 صفر جلوی آن )سیناپس عصبی با هم متصل‌اند.
کارکرد ابررايانه‌ها
پیش از این وقتی که SpiNNaker با تنها 500 هزار پردازشگر کار می‌کرد، فقط 80 هزار نورون در بخش کورتکس مغز یعنی ناحیه‌ای از مغز که اطلاعات را از حواس پنجگانه دریافت می‌کند، مدل سازی کرد اما پس از شبیه‌سازی و عملکرد موفق SpiNNaker در بخش‌های دیگر مغز، توان بالقوه‌ای این ابررايانه به‌عنوان یک ابزار برای مطالعه اختلالات مغزی، بیش از پیش اهمیت یافت.
حال سوال این است که یک ابررایانه مجهز به یک میلیون هسته‌پردازنده شبیه به مغز انسان اصلا چه کاربردی دارد؟ ابررايانه‌ها اساسا نوعی ماشین محاسباتی هستند که در حل مسائل بسیار پیچیده که نیازمند حداکثر توانایی محاسبه و ظرفیت است، از سوی مراکز علمی، دانشگاه‌های بزرگ، مراکز نظامی و آزمایشگاه‌های تحقیقات علمی، مورد استفاده قرار می‌گیرند. هنگامی که سخن از حل بزرگ‌ترین مشکلات جهان در بین باشد، ابررایانه‌ها می‌توانند قهرمانان فوق‌العاده‌ای باشند. زیرا این سیستم‌های رايانه‌اي معمولا می‌توانند مسائل پیچیده را با حجم و پیچیدگی که هیچ رايانه دیگری نمی‌تواند حل کند در کمترین زمان ممکن، حل کنند. ابررایانه‌ها با پردازشگرها و کارکرد بالایی که دارند، معمولا برای عملیات حساس محاسباتی از جمله مسائل فیزیک کوانتوم، هواشناسی، تحقیقات آب‌وهوا، به‌ویژه برای موسسات مرتبط با تحقیقات تغییرات اقلیمی، به کارمی‌روند. شاید جدیدترین نمونه از کاربرد ابررايانه‌ها در تحقیق برای طیف وسیعی از موضوع‌ها ساخت ابررایانه «آرورا» Aurora باشد که دولت آمریکا با صرف هزینه‌ای بالغ بر 500 میلیون دلار قرار است تا سال 2021 آماده کار شود، برای مقابله با مشکلاتی همانند تحقیقات سرطان، مدل‌سازی آب‌وهوا و درمان سربازان طراحی شده است.
کاربرد SpiNNaker
اما درمورد ابررایانه SpiNNaker، یکی از کاربردهای بنیادین آن کمک به دانشمندان علوم اعصاب است تا بتوانند درک بهتری از عملکرد مغز انسان به‌دست آورند. این کار فقط به دلیل طراحی مدلی از نورون‌های بیولوژیکی انسان و اجرای شبیه‌سازی کارکرد مغزاست که در مقیاس بی‌نهایت بزرگ و در زمان واقعی روی ماشین SpiNNaker اجرا شده است. درنتیجه می‌تواند ساختار محاسباتی مغز را در زمان واقعی شبیه‌سازی کند، کاری که هیچ ماشین محاسباتی یا رايانه دیگر ممکن نیست.
همان‌طور که گفته شد SpiNNaker موفق به ارائه مدل شبیه‌سازی پردازش درزمان واقعی و درطیف وسیعی از شبکه‌های مختلف مغز شده است. این بخش‌‌ها، شامل 80 هزار مدل نورون است که در بخش قشر مغز (کورتکس) – و لایه خارجی مغز، (محل دریافت و پردازش اطلاعات به‌دست آمده از حواس پنجگانه) قرار دارد.
همچنین مدلی هم از منطقه‌ای دیگر از مغز به نام هسته‌های قاعده‌ای( Basal ganglia ) (که از پنج هسته زیرقشری مغز تشکیل شده‌اند و درانجام حرکات و نیز بیماری پارکینسون نقش مهمی دارد) شبیه‌سازی شده و این به این معناست که این ماشین بالقوه امکانات زیادی را برای پیشرفت علوم در زمینه‌های عصب‌شناسی و نیز داروسازی در اختیار محققان قرار میدهد.
«پرفسور فوربر» می‌گوید: «دانشمندان علوم اعصاب مي‌توانند با کمک SpiNNaker که سیستمی شبیه به مغز انسان در مقیاس بی‌سابقه‌ای بزرگ است، بسیاری از اسرار ناشناخته مغز انسان را کشف کنند. از این رهگذر این شبیه‌ساز عصبی که در زمان واقعی عمل می‌کند به متخصصان روباتیک امکان مي‌دهد تا شبکه‌های عصبی در مقیاس‌های بزرگ را برای روبات‌های مختلف از جمله روبات‌های تلفن‌همراه طراحی کنند، به نحوی که بتوانند با کارایی بالاتری حرف بزنند، راه بروند و با مصرف کمترین میزان انرژی با انعطاف‌پذیری بالا حرکت کنند.»
علاوه براین همزمان با توسعه شبیه‌سازی از مغز انسان، از قدرت SpiNNaker در زمینه کنترل یک روبات به نام e SpOmnibot نیز استفاده شده است. در این آزمایش از سیستم SpiNNaker برای تفسیر اطلاعات بصری روبات در زمان واقعی و حرکت به سمت اشیا مشخصی که از قبل تعیین‌شده و نادیده گرفتن اشیاي دیگر استفاده شده است.
از آوریل 2016 ماشین محاسباتی SpiNNaker برای شبیه‌سازی فعالیت‌های عصبی تنها از 500 هزار هسته پردازشگر برخوردار بود اما پس از جلب حمایت «پروژه مغز انسانی اتحادیه اروپا» که در تلاش برای ساخت مغز مجازی انسان است، به منظور ارتقای عملکرد ماشین SpiNNaker ، ظرفیت پردازنده‌ها به دو برابر افزایش یافت. از آن پس به کار خود برای کمک به دانشمندان در ایجاد مدل‌هایی از مغز انسان با جزئیات بیشتر ادامه داده است اما اکنون ظرفیت اجرایی این ماشین به قدری افزایش یافته که قادر است 200 کادریلیون عمل را به‌طور همزمان انجام دهد.
درواقع در شرایطی که بعضی دیگر از ابررايانه‌ها نیز در سراسرجهان با پردازنده‌های بسیار قوی رقیبی برای SpiNNaker محسوب می‌شوند، آنچه این پلتفرم را از نمونه‌های مشابه متمایز می‌کند، اتصال زیرساخت همان پردازشگرهاست. در مغز انسان 100 میلیارد نورن به‌طور همزمان درحال تحریک و انتقال سیگنال‌های عصبی به هزاران مقصد مشخص هستند. ساختار SpiNNaker از سطحی استثنایی از ارتباطات در بین پردازشگرهای خود برخوردار است که بیشتر شبیه به یک شبکه عصبی مغز عمل می‌کند.
فوربر می‌گوید: «مکانیسم اتصالات در ابررایانه‌های متعارف در شبیه‌سازی مغز در زمان واقعی به‌اندازه کافی مناسب نیستند. درحالی‌که معتقدم SpiNNaker قادر به مدل‌سازی شبکه‌های بزرگ‌تر عصبی در زمان واقعی بیولوژیک نسبت به دیگر ابررایانه‌های مشابه هستند.»
يك‌میلیون پردازنده و اجرای 200 کادریلیون دستور همزمان
درمورد این ابررایانه‌ها هنگامی که از قدرت سخن در میان باشد، منظور همان «قدرت پردازش» است. یعنی تعداد اعمالی که می‌تواند به‌طور همزمان در هر ثانیه پردازش کند. «قدرت پردازش» همواره عنوان اصلی‌ترین ملاک ارزیابی قدرت سوپررايانه‌ها به شمار می‌آِید و از این رو دانشمندان در سراسرجهان در رقابتی گسترده، برای دستیابی به دستگاه‌هایی قدرتمندتر با کارایی بیشتر، بیش از هرچیز بر قدرت و تعداد پردازشگرها تمرکز و توجه داشته‌اند. بنابراین عنوان بزرگ‌ترین ابررایانه جهان در رقابتی تنگاتنگ، در حال تغییر پیاپی بوده است. ممکن است آنچه که امروز ابررایانه برتر جهان است، با ساخت و عرضه ماشین محاسباتی قدرتمندتر، به یارانه‌ای معمولی مبدل شود. منظور از سریع در این‌جا تعداد پتافلاپ‌هایی است که سیستم رايانه‌اي قادر به انجام آن است. یک پتافلاپ برابر هزار ترافلاپ است. به عبارت دیگر باید آن را مساوی یک کوآدریلیون عمل در هر ثانیه دانست! کوآدریلیون، عدد یک به همراه 15صفر در جلوی آن است.
عملکرد SpiNNaker چقدر به مغز واقعی انسان نزدیک است؟
نورون‌ها، بنیادی‌ترین سلول‌های عصبی در بدن ما هستند که کار پردازش و رساندن پیام‌های عصبی را انجام می‌دهند. مغز انسان حاوی حدود 68 میلیارد نورون است که هركدام توانایی ارتباط و تاثیر روی تعداد زیادی نورون دیگر را دارد. مکانیسم موثر و کارآمدی نیاز است تا ارتباط بین این تعداد نجومی از نورون‌ها را برقرار کند. این ارتباط با استفاده از سیناپس‌ها صورت می‌گیرد.
اکنون با تمام توان محاسباتی بالای SpiNNaker ، این ابررايانه تا چه حد به عملکرد واقعی مغز انسان طبیعی با این همه پیچیدگی نزدیک شده است؟ فوربر می‌گوید: «درحال حاضر شبیه‌سازی دقیق مغز انسان به‌سادگی امکان‌پذیر نیست. یک ماشین پیشرفته همانند SpiNNaker هنوز هم با تمام امکاناتی که دارد فقط می‌تواند یک بخش از عملیات ارتباطی را که مغز انسان انجام میدهد، مدیریت کند. بنابراین ابررایانه‌ها همچنان تا رسیدن به چنان مقصدی، راه درازی در پیش دارند.»
رقبای SpiNNaker
آمریکا، چین و ژاپن بیش از هر کشور دیگری بر سر تصاحب عنوان کشور دارنده سریع‌ترین ابررایانه جهان با یکدیگر رقابت می‌کنند. ابررایانه‌ها طراحی‌های سفارشی کم‌نظیری هستند که شرکت‌های صنعتی بزرگی در سطح مثل آی‌بی‌ام دست به تولید آن زده‌اند. اخیرا شرکت اینتل در همکاری با وزارت انرژی آمریکا در کار ساخت ابررایانه‌ای به نام اارورا (Aurora )است که قرار است تا سال 2021 کار ساخت آن به پایان برسد. از بین 500 ابررايانه سریع دنیا در حال حاضر، 252 مورد از آن‌ها در آمریکا، 112 تا در اروپا، 66 تا در چین و 30 تا در ژاپن کار مي‌کنند اما شرکت اینتل یک ابررايانه در مقیاس Exa را برای تسلط بر تحقیقات و مدل‌سازی آب‌وهوا در دستور کار دارد.
Exa یک پیشوند واحد اعشاری در سیستم متریک است که نشان‌دهنده عدد 10 با 18صفر در کنار آن است. این ابررایانه توانایی انجام دست‌کم یک میلیارد میلیارد (یا 1٫000٫000٫000٫000٫000٫000) محاسبه در ثانیه برخوردار خواهد بود که در علوم رایانه، به آن یک اگزافلاپ (exaflop) گفته می‌شود.
بنابراین Aurora درصورت تکمیل و آغاز به کار در سال 2021 سریع‌ترین سوپررايانه در تاریخ ایالات متحده نامیده می‌شود و ممکن است یکی از سریع‌ترین در جهان باشد. این دانشمندان یک ابزار قدرتمند جدید برای فعالیت‌های تحقیقاتی از مدل‌سازی تغییرات اقلیمی گرفته تا کشف داروهای جدید سرطانی برای به دست آوردن درک بهتر از مسائل جهان به‌دست میدهد.
ابررایانه ائورورا با ترکیبی از محاسبات با کارایی بالا و هوش مصنوعی، قرار است از مغز انسان نقشه‌برداری کرده و نیز در تهیه انواع مواد جدید برای درک بهتر انسان از جهان پیرامون کمک کند.
به گزارش «فورچون» به نقل از دانشگاه شیکاگو، مدت‌‌هاست که در مسابقه پرهزینه‌ای بین کشورهای مختلف بر سر ساخت و بهره‌گیری از قدرتمندترین ابررایانه‌ها درجریان است. سال گذشته آمریکا عنوان برتر را به یمن قدرت محاسباتی ابررایانه Summitساخت شرکت IBM با قدرت پردازش 200 کادریلیون در هر ثانیه از چین بازپس گرفت. قدرت محاسبه ابررايانه Aurora حداقل 50 برابر سریع تر از برترین و سریع‌ترین ابررایانه‌های کنونی جهان خواهد بود. از آن‌جا که این رایانه جدید با نام اُرورا (Aurora)، قرار است سال 2021رونمایی شود، SpiNNaker همچنان عنوان قوی‌ترین سوپررايانه جهان را دارد.
