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21 Feb 2019, 13:53

Eine Nachbildung des menschlichen Gehirns mit dem neuromorphen Computer von SpiNNaker

Der neuromorphe Computer, ein Konzept, das von dem amerikanischen Wissenschaftler Carver Mead entwickelt wurde und die VLSI für analoge und digitale Schaltungen beschreibt, um neurobiologische Architekturen nachzuahmen, hat dieses Jahr ein paar IQ-Punkte dazugewonnen. Die Spiking Neural Network Architecture oder, falls Sie sich diesen langen Namen nicht merken können, die SpiNNaker-Maschine wurde vor kurzen zum ersten Mal vollständig und mit ihrem millionsten Prozessorkern gestartet.

Der neuromorphe Computer SpiNNaker

Seit 20 Jahren in Arbeit

Die SpiNNaker-Maschine, deren Idee bereits seit fast 20 Jahren existiert und an der schon über 10 Jahre gearbeitet wird, ist ein Projekt der School of Computing Science der University of Manchester und von Professor Steve Furber, der die ursprüngliche Idee hatte. Dieser richtungweisende neuromorphe Computer ist in der Lage, mehr biologische Neuronen in Echtzeit zu modellieren als jede andere derzeit existierende Maschine – zumindest soweit uns bekannt ist!

Wie Sie sich vorstellen können, waren die Entwicklung und die Konstruktion dieser einzigartigen Maschine nicht preiswert. Das Projekt wurde mit 15 Millionen britischen Pfund über 20 Jahre hinweg von EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council, britischer Forschungsbeirats für Technik und physikalische Wissenschaften) finanziert. Vor Kurzem hat das HBP (Human Brain Project), das bei der Entwicklung und der Konzeption geholfen hat, die Finanzierung übernommen.

Biologische Neuronen

Ein biologisches Neuron, das manchmal auch gepulstes Neuron genannt wird, ist eine Art Gehirnzelle, die sich im Nervensystem befindet und durch das Emittieren von elektrochemischen Energieimpulsen über die Zellmembran kommuniziert. Die Berechnungsfunktionalität der SpiNNaker-Maschine ist einzigartig. Anstatt Daten von A nach B über ein reguläres Netzwerk zu senden, sendet es Milliarden kleiner Datenpakete gleichzeitig an tausende verschiedene Ziele. Der SpiNNaker ist der bisher leistungsfähigste neuromorphe Computer, der speziell entwickelt wurde, die parallele Kommunikationsarchitektur des menschlichen Gehirns nachzuahmen. Im Grunde genommen ist es ein Computer, der mehr wie ein menschliches Gehirn funktioniert als Ihre herkömmliche Vorstellung eines Computers es jemals könnte.

Die Entwickler dieses einzigartigen Konzepts sind noch nicht fertig. Ihr Ziel ist es, den Computer soweit auszubauen, dass eine Milliarde biologische Neuronen in Echtzeit modelliert werden können. Es scheint, als wäre es noch ein langer Weg bis dahin, aber dieser richtungweisende Neuro-Computer ist ein wichtiger Schritt, um diesem Ziel näher zu kommen. Um Ihnen eine Vorstellung von der Größe dieses Vorhabens zu geben: Das Gehirn einer Maus hat in etwa 100 Millionen Neuronen und das Gehirn eines durchschnittlichen Menschen in etwa 100 Milliarden Neuronen hat (wobei ich nicht glaube, dass jemand sie schon mal gezählt hat). Alle diese Neuronen sind wiederum mit in etwa einer Billiarde Synapsen verbunden – eine fast unvorstellbar große Zahl.

Was kann man tatsächlich damit tun?

Welchen Nutzen hat ein Computer mit einer Million Prozessorkernen, der menschliche Gehirnfunktionen nachahmen kann, tatsächlich? Einer der Hauptgründe für die Entwicklung dieses neuromorphen Computers ist, Neurowissenschaftlern zu helfen, die Gehirnfunktionen zu verstehen. Dazu werden enorm große und komplexe Simulationen in Echtzeit ausgeführt. Beispielsweise wurde vor Kurzem der SpiNNaker, als er nur 500.000 Prozessoren hatte, genutzt, um die Echtzeit-Verarbeitung von einer Reihe isolierter Gehirnnetzwerke zu simulieren, einschließlich des Modells eines Teils der menschlichen Hirnrinde mit 80.000 Neuronen. Die Hirnrinde, die sich auf der Oberfläche des Gehirns befindet, ist letztendlich für den Erhalt und die Verarbeitung von Informationen der verschiedenen Sinne zuständig. Dieser ziemlich schlaue Computer zeigt seine Fähigkeiten auch im Kampf gegen die Parkinson-Krankheit, indem er eine Hirnregion namens Basalganglien simuliert, in der diese schwere Krankheit auftritt. Es ist klar, dass der Computer ein großes Potenzial bei der Erforschung neurologischer Funktionen und Fehlfunktionen dieser Art hat. Dies könnte zu einem umfassenderen wissenschaftlichen Verständnis und zur möglichen Behandlung bestimmter Krankheiten führen.

Der SpiNNaker-Chip

Eine Million Kerne? Na und!

Es gibt möglicherweise andere Computer, die genauso viele Prozessoren oder vielleicht sogar mehr als der SpiNNaker haben, aber der Unterschied ist die Infrastruktur, die alle Prozessoren verbindet. Das menschliche Gehirn kann Milliarden Neuronen steuern und gleichzeitig Signale an Tausende verschiedene Ziele übertragen. Die superneuromorphe Computerarchitektur unterstützt ein atemberaubend hohes Niveau an Prozessor-zu-Prozessor-Kommunikation, ähnlich wie das menschliche Gehirn. Andere Computer sind dazu nicht in der Lage. Der SpiNNaker hat offenbar die Fähigkeit, 200 Billiarden Aktionen gleichzeitig auszuführen. Dies ist eine wirklich sehr beeindruckende Menge.

Der Nachahmer des Gehirns

Kann man die Funktionen und Fähigkeiten des SpiNNaker mit denen des menschlichen Gehirns vergleichen? Es ist noch ein weiter Weg bis dahin. Auch wenn der SpiNNaker unglaubliche Ergebnisse liefert, hat er dennoch nur 1 % der Fähigkeiten des menschlichen Gehirns. Und auch diese Einschätzung ist wahrscheinlich noch optimistisch. Aktuell können, soweit wir wissen, Wissenschaft und Technologie das menschliche Gehirn nicht nachahmen. Wie Sie vielleicht gemerkt haben, hat diese Maschine eine ähnliche Größe wie die Computer von früher, die einen ganzen Raum füllten. Im Vergleich zu dem heutigen Standard könnten diese kaum mit einem Taschenrechner mithalten. Die Technologie entwickelt sich schnell weiter und vielleicht halten wir bald einen neuromorphen Computer in unseren Händen. Wir werden sehen.

 

Erfahren Sie mehr über das SpiNNaker-Projekt

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21 Feb 2019, 13:53

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