211service.com
Att bygga en hjärna på ett silikonchip
Ett internationellt team av forskare i Europa har skapat ett kiselchip designat för att fungera som en mänsklig hjärna. Med 200 000 neuroner sammanlänkade av 50 miljoner synaptiska anslutningar, kan chippet efterlikna hjärnans förmåga att lära sig närmare än någon annan maskin.
Ett smart chip: Forskare i Europa använder konventionell chipproduktionsteknik för att skapa kretsar som efterliknar den mänskliga hjärnans struktur och funktion. Denna tidiga prototyp har bara 384 neuroner och 100 000 synapser, men den senaste versionen innehåller 200 000 neuroner och 50 miljoner synapser.
Även om chippet har en bråkdel av antalet neuroner eller anslutningar som finns i en hjärna, tillåter dess design att det kan skalas upp, säger Karlheinz Meier , en fysiker vid Heidelbergs universitet, i Tyskland, som har koordinerat projektet Fast Analog Computing with Emergent Transient States, eller FACETER .
Förhoppningen är att återskapandet av hjärnans struktur i datorform kan bidra till att främja vår förståelse för hur man utvecklar massivt parallella, kraftfulla nya datorer, säger Meier.
Det är inte första gången någon försöker återskapa hjärnans funktion. Ett försök kallade Blå hjärna projekt, drivs av Henry Markram vid Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, i Schweiz, har använt stora databaser med biologiska data som registrerats av neurologer för att skapa en enormt komplex och realistisk simulering av hjärnan på en IBM-superdator.
FACETS har utnyttjat samma databaser. Men snarare än att simulera neuroner, säger Karlheinz, bygger vi dem. Med hjälp av en standard åtta-tums kiselskiva, återskapar forskarna neuroner och synapser som kretsar av transistorer och kondensatorer, utformade för att producera samma typ av elektrisk aktivitet som deras biologiska motsvarigheter.
En neuronkrets består vanligtvis av cirka 100 komponenter, medan en synaps bara kräver cirka 20. Men eftersom det finns så mycket fler av dem tar synapserna upp det mesta av utrymmet på wafern, säger Karlheinz.
Fördelen med detta fasta tillvägagångssätt, i motsats till en simulering, fortsätter Karlheinz, är att den tillåter forskare att återskapa den hjärnliknande strukturen på ett sätt som verkligen är parallellt. Att få simuleringar att köras i realtid kräver enorma mängder datorkraft. Dessutom kan fysiska modeller köras mycket snabbare och är mer skalbara. Faktum är att den nuvarande prototypen kan fungera cirka 100 000 gånger snabbare än en riktig mänsklig hjärna. Vi kan simulera en dag på en sekund, säger Karlheinz.
Även om det kan låta osannolikt, är neuroner faktiskt väldigt långsamma, åtminstone jämfört med datorer, säger Thomas Serre , en beräkningsneurovetenskaplig forskare vid MIT. Anledningen till att datorer verkar mycket långsammare är att de är seriemaskiner, medan våra hjärnor går parallellt, säger han.
FACETS är inte den enda gruppen som använder detta tillvägagångssätt. Forskare vid Stanford University har också skapat neuronala kretsar och Agency Advanced Research Projects Defense nyligen börjat finansiera ett liknande projekt.
Där FACETS ligger före alla andra är att de använder dessa komplexa synapser, säger Markram. Medan neuronerna är ganska enkla, säger han, är synapserna designade för att använda en mycket kraftfull distribuerad algoritm – utvecklad av Markram – kallad spike-timing-beroende plasticitet, som gör att enheten kan lära sig och anpassa sig till nya situationer.
Att bygga så komplexa kretsar har krävt ett nära samarbete med neurobiologer, säger Markram. Faktum är att projektet, vars nuvarande budget är 10,5 miljoner euro (14,1 miljoner USD), är beroende av bidrag från 15 vetenskapliga grupper från sju olika länder. Bland utmaningarna de står inför är att återskapa hjärnans tredimensionella struktur i en 2D-bit av kisel, säger han.
Trots ansträngningar för att göra chipsen så biologiskt rimliga som möjligt, medger Markram att de fortfarande är grova jämfört med vad som kan uppnås i simulering. Det är inte en hjärna. Det är mer av en datorprocessor som har en del av den accelererade parallellberäkningen som hjärnan har, säger han.
På grund av detta tvivlar Markram på att hårdvarumetoden kommer att ge mycket insikt i hur hjärnan fungerar. Till exempel, till skillnad från Blue Brain, kommer forskare inte att kunna utföra i silico drogtester, simulera effekterna av droger på hjärnan. Det är mer en plattform för artificiell intelligens än att förstå biologi, säger han.
FACETS-gruppen planerar nu att skala upp sina marker ytterligare och koppla ihop ett antal wafers för att skapa ett superchip med totalt en miljard neuroner och 1013 synapser.