Ο υπερυπολογιστής SpiNNaker μιμείται τον ανθρώπινο εγκέφαλο

Πριν μερικούς μήνες ενεργοποιήθηκε για πρώτη φορά o SpiNΝaker (Spiking Neural Network Architecture), ο μεγαλύτερος υπερυπολογιστής στον κόσμο, ο οποίος έχει κατασκευαστεί για να λειτουργεί όπως ο ανθρώπινος εγκέφαλος. 

Κύριος στόχος του SpiNΝaker είναι να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα πώς οι νευρολογικές ασθένειες, όπως π.χ. η νόσος του Πάρκινσον, επηρεάζουν τον εγκέφαλο. Ο υπερυπολογιστής χρειάστηκε περισσότερα από 10 χρόνια για να κατασκευασθεί από τους επιστήμονες και μηχανικούς του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ με την υποστήριξη του EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council) και του European Human Brain Project και κόστισε περίπου 15 εκατομμύρια λίρες.

Η ενεργοποίηση του SpiNNaker έγινε στις 2 Νοεμβρίου του 2018. Σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς υπολογιστές, ο SpiNNaker μιμείται την «επικοινωνία» του εγκεφάλου, στέλνοντας ταυτόχρονα δισεκατομμύρια μικρές ποσότητες πληροφοριών σε χιλιάδες διαφορετικούς προορισμούς. Μπορεί να πραγματοποιεί πάνω από 200 εκατομμύρια ενέργειες ανά δευτερόλεπτο, με τους επεξεργαστές του να φτάνουν το 1 εκατομμύριο και το κάθε τσιπ να αποτελείται από 100 εκατομμύρια ημιαγωγούς. 

Να σημειωθεί ότι ο πρώτος υπερυπολογιστής στον κόσμο ήταν ο 6600 της Control Data, που κατασκευάσθηκε πριν περίπου μισό αιώνα και μπορούσε να εκτελέσει μόλις 1 εκατομμύριο πράξεις το δευτερόλεπτο.

«Ο SpiNNaker επαναπροσδιορίζει τον τρόπο με τον οποίο λειτουργούν οι συμβατικοί υπολογιστές. Έχουμε δημιουργήσει μια μηχανή που λειτουργεί περισσότερο σαν τον ανθρώπινο εγκέφαλο παρά σαν έναν παραδοσιακό υπολογιστή» δήλωσε ο καθηγητής της Επιστήμης των Υπολογιστών, Steve Furber, που είχε την αρχική ιδέα, επισημαίνοντας ότι στόχος του έργου είναι «να τρέχει» περίπου ένα εκατομμύριο εφαρμογές, όπως κάνει και ο εγκέφαλος σε πραγματικό χρόνο.

Η διαφορά των συμβατικών ηλεκτρονικών υπολογιστών με το SpiNNaker είναι πως ενώ αυτοί επικοινωνούν στέλνοντας μεγάλο όγκο πληροφοριών από το ένα σημείο στο άλλο μέσω δικτύου, ο υπερυπολογιστής χρησιμοποιεί την παράλληλη επικοινωνία του εγκεφάλου που στηρίζεται στην ταυτόχρονη αποστολή αναρίθμητων πακέτων πληροφοριών σε χιλιάδες διαφορετικούς προορισμούς.

Και ενώ κάποιοι υπερυπολογιστές μπορεί να ξεπερνούν τον SpiNNaker ως προς τον αριθμό των επεξεργαστών που έχουν, αυτό που ξεχωρίζει τον συγκεκριμένο υπερυπολογιστή είναι η υποδομή που συνδέει αυτούς τους επεξεργαστές. Στον ανθρώπινο εγκέφαλο, 100 δισεκατομμύρια περίπου νευρώνες μεταφέρουν σήματα σε εκατοντάδες προορισμούς. Η αρχιτεκτονική του SpiNNaker είναι παρόμοια με αυτή του εγκεφάλου με ένα εξαιρετικό επίπεδο επικοινωνίας μεταξύ των επεξεργαστών.

Ένα από τα εντυπωσιακά χαρακτηριστικά του SpiNNaker είναι  ότι μπορεί να δημιουργεί λεπτομερή μοντέλα λειτουργίας περισσότερων βιολογικών νευρώνων από οποιοδήποτε άλλο υπολογιστή στον κόσμο και σε πραγματικό χρόνο. Να σημειωθεί ότι οι νευρομορφικοί υπολογιστές είναι συστήματα με ηλεκτρονικά κυκλώματα τα οποία μιμούνται τις εξάρσεις ηλεκτροχημικής ενέργειας που χρησιμοποιούν οι βιολογικοί νευρώνες για να επικοινωνούν στο νευρικό σύστημα του σώματος.

Η ισχύς του SpiNNaker χρησιμοποιήθηκε πρόσφατα για τον έλεγχο του ρομπότ SpOmnibot και συγκεκριμένα για την ερμηνεία των οπτικών πληροφοριών που λαμβάνει από τους αισθητήρες οράσεως, ώστε αυτό να κινείται στο χώρο και να έχει τη δυνατότητα να αποφεύγει διάφορα εμπόδια.
Ο καθηγητής Furber τονίζει: «Ο SpiNNaker λειτουργεί επίσης ως νευρωνικός προσομοιωτής σε πραγματικό χρόνο, που επιτρέπει στους επιστήμονες να σχεδιάζουν νευρωνικά δίκτυα μεγάλης κλίμακας σε κινητά ρομπότ, ώστε να μπορούν να περπατούν, να μιλούν και να κινούνται με ευελιξία και χαμηλή ισχύ».

Προς το παρόν, η προσομοίωση της λειτουργίας του εγκεφάλου είναι αδύνατη. Παρά την τεράστια επεξεργαστική ισχύ του, ο SpiNNaker απέχει πάρα πολύ από το να μιμηθεί τη λειτουργία του ανθρώπινου εγκεφάλου. Ακόμη και με 1 εκατομμύριο επεξεργαστές, μπορούμε να προσεγγίσουμε μόλις το 1% της κλίμακας του ανθρώπινου εγκεφάλου.

Παύλος Γκάσταρης