Mikročip jako lidský mozek

Více než půl století převládá ve světě počítačů takzvaná von Neumannova architektura. Americký matematik maďarského původu John von Neumann, narozený na počátku 20. století, vystoupil v roce 1945 s přednáškou, která se stala milníkem ve vývoji výpočetní techniky. Hovořil v ní o computeru založeném na systému, s nímž pracuje naprostá většina počítačů dodnes: vychází z procesoru, který komunikuje s externě uloženou pamětí.

Předávání informací mezi pamětí a mikroprocesorem je však pomalé a vyžaduje značné množství energie. Procesory zrychluje například tzv. cache – mezipaměť, v níž jsou informace uložené předem tak, aby jejich případné hledání nezabralo zbytečně moc času.

Možností, jak počítače zrychlit a zefektivnit, už ale v současné době není mnoho. Takzvané taktovací frekvence, udávající rychlost procesoru, se víceméně ustálily na hodnotě 3 GHz a jedinou možností, jak rychlost zvýšit, je násobit počet jader v procesoru. Rostoucí počet jader však umí efektivně využít jen několik málo programů a paralelní programování je prozatím v plenkách (viz Respekt 35/11). Opravdu rychlé zůstávají pouze superpočítače s paralelní architekturou, určené většinou pro vědecké úkoly.

Vývojovým krokem mířícím za naznačené horizonty je kognitivní výpočetní technika. Začátkem 90. let se vědci začali zajímat o to, jak co nejlépe napodobit způsob, jakým pracuje nejvýkonnější počítač na světě: lidský mozek. Výsledkem jsou takzvané kognitivní počítače – dokážou se učit a sestavovat hypotézy. Některé z nich se dnes používají například v lodních a leteckých navigačních systémech.

Inženýři z IBM nyní pokročili ještě dále. Nejenže by počítač měl napodobovat procesy, které v mozku probíhají, měl by mozek připomínat i svou strukturou. Půlstoletí von Neumannovy architektury se tak možná stává minulostí. Přichází SyNAPSE.

Mezi uhlíkem a křemíkem

V mozku člověka se nacházejí nervové buňky, neurony, které si mezi sebou předávají signály pomocí výběžků: vysílačem je axon, přijímačem dendrity. Přenos signálu se odehrává malou mezerou mezi axonem a dendrity – synapsí.

Křemíková forma mozku, čip SyNAPSE, má velikost několika čtverečních milimetrů a tvoří jej 256 paralelních spojů, které představují „dendrity“. Ty protínají příčné spoje, reprezentující axony. Synapse jsou tu v podobě 45 nanometrových tranzistorů, které spojují protínající se dráty a fungují jako paměť umístěná přímo na čipu. Jeden čip má více než 260 tisíc takových pamětí. Všechny spoje a paměti jsou navíc uloženy přímo na sobě ve vrstvách, nikoli zvlášť, jako tomu bylo u von Neumannova computeru.

Toto uspořádání má dvě velké přednosti. Především SyNAPSE spotřebuje oproti běžnému čipu odhadem pouhou tisícinu energie – neplýtvá se jí totiž při přenosu mezi pamětí a procesorem. Druhou výhodou pak je, že počítač má vlastně oněch zhruba 260 tisíc pamětí místo jedné, a dokáže proto mnohem efektivněji provádět paralelní výpočty. Blíží se tak už něčemu, co by se dalo nazvat prvními krůčky k inteligenci.

Mozek „v krabici od bot“

Čip SyNAPSE se v prvních testech naučil hrát primitivní počítačovou hru Pong (dvě platformy, každá na jednom konci obrazovky, si při ní odrážejí „míček“ a nesmějí jej propustit), řídit virtuální automobil po závodní dráze a identifikovat ručně psané číslice. To jsou sice všechno věci, které počítačové čipy dokázaly už dávno, rozdíl ovšem je, že SyNAPSE to zvládl „sám“, bez speciálně napsaných programů pro každý úkol. Čip se dokáže samostatně učit, pokud dostane správný impulz, a je velmi pružný při změnách okolní situace.

Prozatím se jedná o inteligenci pramalou, lidé z výzkumu IBM ale doufají, že dokážou postavit počítač velikosti krabice od bot, který trumfne i legendárního chytráka Watsona. Ten zahanboval své lidské protivníky v americké vědomostní soutěži Jeopardy! (čeští diváci ji znají jako Riskuj!). Bude mít 10 miliard neuronů, 100 bilionů synapsí a k jeho pohonu bude stačit pouhý jeden kilowatt energie, což je několiksetkrát méně než u Watsona. Konstruktéři z IBM doufají, že tak dokážou posunout výpočetní techniku vpřed a vymaní ji z energetických a rychlostních mantinelů.

Projektu věří i DARPA (americká Agentura pro výzkum pokročilých obranných projektů), která vývoj sponzoruje 21 miliony dolarů. Počítače založené na architektuře SyNAPSE by mohly být v budoucnu využívány všude, kde je zapotřebí zpracovat obrovské množství komplexních dat v reálném čase. Mohly by nás tedy například včas varovat před tsunami nebo řídit dopravu.

Jakkoli je nový čip energeticky úsporný, stále se má v tomto ohledu čemu učit. Lidský mozek se svými 100 miliardami neuronů a 100 biliony synapsí nespotřebuje víc energie než dvacetiwattová žárovka.