Аппаратные средства нейрокомпьютинга

Чтобы достичь максимальной производительности при аппаратной реализации нейронных сетей необходимо подобрать такую вычислительную базу, которая наиболее адекватна архитектурам нейронных сетей. Если вспомнить, что нейронная сеть представляет собой совокупность элементарных вычислительных элементов – нейронов – работающих параллельно, то ясно, что наиболее удачным аппаратным решением нейрокомпьютера стала бы система, обеспечивающая массовое параллельное выполнение простейших операций скалярного умножения и нелинейного преобразования или, другими словами, сверхпараллельная система, состоящая из большого количества RISC‑процессоров. По этой причине одно - или малопроцессорные вычислительные системы – не самое удачное решение для реализации нейронных сетей.

Основным требованием к аппаратному нейрокомпьютеру является каскадирование, т.е. возможность наращивания вычислительной мощности без особых технических требований. К сожалению, процессоры фирмы Intel не являются каскадируемыми.

Все фирмы, выпускающие специализированные нейронные вычислительные системы, положили в основу их построения принцип модульности, согласно которому вычислительная система строится как набор модулей, устанавливаемых на материнскую плату.

Иллюстрация принципа модульности построения вычислительных систем

Применяя принцип модульности можно в одной системе объединять модули различного назначения: вычислительные, периферийные, преобразования сигналов, ввода/вывода и т.д.

Вычислительные системы, строящиеся по модульному принципу, производятся фирмами Sundance (www.sundance.com), Texas Instruments (www.ti.com) и многими другими.

Нейрочипы

Логика подсказывает, что основным вычислительным элементом нейрокомпьютера должен быть специальный каскадируемый процессор, внутри которого обеспечивается параллельная реализация однотипных нейронных операций. Процессоры такого типа называются нейрочипами. Другими словами, нейрочип – это специализированный суперRISC процессор, ориентированный на выполнение нейронных операций.

Современные модели нейрочипов позволяют параллельно работать с 64К нейронами при 128К связей между нейронами (нейрочип NiSP фирмы Sundance (www.sundance.com)), хотя большинство коммерческих реализаций нейрочипов обеспечивают уровень параллельности до 64-128 нейронов.

В России разработки нейрочипов ведутся двумя независимыми школами: фирмой «Модуль» (www.module.vympel.msk.ru), разработавшей нейрочип NM6403, и Научным центром нейрокомпьютеров совместно с воронежской фирмой «Scan Engineering Telecom» (www.xilinx.ru/set), разрабатывающими нейрочипы на базе ПЛИС фирмы Xilinx.

Кроме широкого спектра фирм и корпораций, исследования в области современных нейропроцессоров проводят многие лаборатории и университеты, среди которых можно отметить:

В США: Naval Lab, MIT Lab, Пенсельванский Университет, Колумбийский Университет, Аризонский Университет, Иллинойский Университет и др.

В Европе: Берлинский Технический Университет, Технический Университет в Карлсруе и др.

В России: МФТИ, Ульяновский Государственный Технический Университет, МГТУ им. Н.Э. Баумана (более десятка лабораторий занимающихся вопросами нейровычислителей на четырех факультетах: "Информатики и систем управления", "Специального машиностроения", "Радиоэлектроники и лазерной техники", "Биомедицинских систем"), Красноярский Государственный Технический Университет, Ростовский Государственный Университет и др.

Разработка нейрочипов ведется во многих странах мира. На сегодня выделяют две базовые линии развития вычислительных систем с массовым параллелизмом (ВСМП): ВСМП с модифицированными последовательными алгоритмами, характерными для однопроцессорных фоннеймановских алгоритмов и ВСМП на основе принципиально новых сверпараллельных нейросетевых алгоритмов решения различных задач (на базе нейроматематике).