יבמ מספקת לממשל האמריקאי מחשב-על בהשראת המוח האנושי

פריצת דרך טכנולוגית בתחום הארכיטקטורה של שבבי מחשב סוללת את הדרך לדור חדש של מערכות קוגניטיביות

יבמ תספק למעבדת המחקר הלאומית על שם לורנס ליברמור בקליפורניה פלטפורמת מחשב-על ראשונה מסוגה, השואבת השראה ממבנה המוח האנושי ומיועדת למשימות למידה עמוקה. המערכת, שפותחה על ידי מעבדות המחקר של יבמ, מבוססת על פריצת דרך טכנולוגית בדמותו של שבב מחשב נוירו-סינאפטי, שזכה לשם “IBM TrueNorth”. הפלטפורמה ניתנת למידרוג, ומסוגלת לטפל בנפח עיבוד שווה ערך לזה של 16 מיליון נוירונים וארבעה מיליארד קשרים סינאפטיים – תוך צריכת חשמל דומה לזו של מחשב טבלט: 2.5 ואט חשמל לכל 16 שבבי TrueNorth. מבנה השבב, השואב השראה ממבנה המוח האנושי, מאפשר לבצע משימות קוגניטיביות מורכבות דוגמת זיהוי דפוסים אחידים (pattern recognition), ועיבוד משולב של מידע בעל אופי חושי, דוגמת ראיה או שמיעה, באופן יעיל משמעותית משבבי מחשב קונבנציונאליים.
המערכת החדשה תשמש למחקר יכולות מחשוב חדשות בתחומי הפעילות של סוכנות האבטחה האטומית (NNSA) באבטחת סייבר ובהרתעה למניעת הפצת נשק גרעיני. במסגרת ASC, תוכנית הסימולציה המתקדמת של NNSA, ייבחנו יישומים בתחומי למידת מכונה, אלגוריתמים של למידה עמוקה וארכיטקטורות מתאימות – כמו גם יישומים בתחומי מחשוב כלליים יותר. ASC מהווה בסיס לתוכנית המרכזית של NNSA לאבטחת מערכות הגרעין של ארה”ב ומוכנות מערך הנשק הגרעיני – ללא שימוש בניסויים אטומיים תת-קרקעיים.
לדברי ג’ים ברייס, סגן מנהל מעבדות לורנס ליברמור לתחום מדעי המחשב, “מערכות מחשוב במבנה מורפולוגי מקביל לזה של מערכת העצבים מציגות אפשרויות חדשות מלהיבות, התואמות לאופן שבו אנו רואים את עתיד המחשוב עתיר הביצועים והסימולציות הממוחשבות. היכולות הפוטנציאליות אותן מציגות מערכות אלו, ובינת המכונה שאותה יאפשרו, עתידות לשנות את האופן שבו מתבצע המחקר המדעי”.
הטכנולוגיה החדשה מהווה שינוי מן היסוד של אופן התכנון של מחשבים, ככל שהיו מוכרים לנו בשבעים השנים האחרונות – והיא עשויה להוות רכיב מרכזי בפיתוח הדור הבא של מחשבי-על, שיהיו מסוגלים לבצע עיבודים בקנה מידה של exascale: מהירות גבוהה פי חמישים, או שני סדרי גודל, בהשוואה למערכות המהירות ביותר הפועלות כיום, בקצבים של petaflop: קוודריליון פעולות נקודה צפה בשניה. כמו המוח האנושי, גם מערכות נוירו-סינאפטיות דורשות אספקת זרם נמוכה במיוחד, ונפח קטן משמעותית.
לדברי מייקל מק-קוי, מנהל תוכנית הסימולציה של נשק גרעיני במעבדות לורנס ליברמור, “צריכת הזרם הנמוכה של המעבדים שנבנו בהשראת המוח האנושי משקפת היטב את השאיפה בתעשיית המחשוב לצמצם את צריכת החשמל בכל הרכיבים שישתלבו במערכות עתידיות”.
דהרמנדרה מודהה, המדען הראשי של תחום המחשוב בהשראת המוח האנושי במעבדות המחקר של יבמ באלמדן, מעריך כי “אספקת הפלטפורמה המתקדמת הזאת מהווה אבן דרך, וציון לנקודת הכניסה אל העידן החדש של מחשוב קוגניטיבי. אנו מעריכים את הקשר עם המעבדה הלאומית, ולמעשה עוד לפני ייצור המערכת החדשה ערכנו סימולציות שלה על גבי מחשב העל סקויה, שנבנה על ידי יבמ, הפועל כבר במעבדה. שיתוף הפעולה יקדם את תחום מערכות המחשוב בארכיטקטורה בהשראת המוח האנושי, ויאפשר להציע בעתיד יכולות חסקות תקדים – תוך צמצום עלויות הרכישה, התפעול והתכנות”.
כל שבב TrueNorth כולל 5.4 מיליון טרנזיסטורים, היוצרים רשת של מיליון נוירונים דיגיטאליים המתקשרים זה עם זה באמצעות 256 מיליון סינאפסות אלקטרוניות. בעבודה במתח של 0.8 וולט, צורך השבב 70 מילי-וואט להרצת יישומי זמן אמת, ומספק 46 גיגה פעולות סינאפטיות בכל שניה. מדובר בצריכת זרם נמוכה בכמה וכמה סדרי גודל בהשוואה למחשבים מסורתיים המריצים רשת נוירונית דומה. שבבי TrueNorth פותחו במקור במסגרת תוכנית SyNAPSE של סוכנות המחקר המתקדם של ארה”ב בתחומי הביטחון, DARPA, בשיתוף פעולה עם אוניברסיטת קורנל.
במסגרת ההסכם עם יבמ, יקבלו מעבדות לורנס ליברמור מערכת מחשוב בעלת 16 שבבי TrueNorth, המקבילה ל- 16 מיליון נוירונים וארבעה מיליארד סינאפסות. המעבדות יקבלו גם סביבה מקיפה, מקצה לקצה, המסייעת בבניה ובתכנון של מכונות יעילות במיוחד, הפועלות באופן דומה ליכולתו של המוח האנושי לתפוס, להבין ולפעול בתהליך קוגניטיבי. הסביבה האקולוגית העוטפת את המחשב החדש כוללת סימולטור, שפת תכנות ייעודית, סביבת תכנות משולבת, ספריית אלגוריתמים ואפליקציות, קושחה, כלים לבניית רשתות נוירוניות ליישומי למידה עמוקה, תוכנית הדרכה ויכולות עבודה בענן.