Simulador Cerebral Eficiente De Energía Supera A Las Supercomputadoras

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Neurogrid es una plataforma informática rentable y energéticamente eficiente que los científicos esperan que revolucionará nuestra comprensión del cerebro.

Esta serie de 4 partes, publicada para coincidir con Semana de la conciencia del cerebro, destaca las inversiones realizadas por la Dirección de Ingeniería de la Fundación Nacional de Ciencia para desarrollar herramientas y tecnologías de vanguardia que mejorarán nuestra comprensión del cerebro.

En noviembre de 2012, IBM anunció que había utilizado la supercomputadora Blue Gene / Q Sequoia para lograr una simulación sin precedentes de más de 530 mil millones de neuronas. El Blue Gene / Q Sequoia logró esta hazaña gracias a su gran velocidad; Se registra en más de 16 billones de cálculos por segundo. De hecho, actualmente se ubica como la segunda supercomputadora más rápida del mundo.

Pero, según Kwabena Boahen, Ph.D., el gen azul todavía no se compara con el poder computacional del cerebro mismo.

"El cerebro es capaz de hacer más cálculos por segundo que incluso la supercomputadora más rápida", dice Boahen, profesor de la Universidad de Stanford, director del laboratorio de investigación Brains in Silicon y becario de NSF Faculty Early Career.

Eso no quiere decir que el cerebro sea más rápido que un supercomputador. De hecho, en realidad es mucho más lento. El cerebro puede hacer más cálculos por segundo porque es "masivamente paralelo", lo que significa que las redes de neuronas están trabajando simultáneamente para resolver una gran cantidad de problemas a la vez. Las plataformas de computación tradicionales, sin importar qué tan rápido, operan secuencialmente, lo que significa que cada paso debe completarse antes de que comience el siguiente paso.

Boahen trabaja en la vanguardia de un campo llamado ingeniería neuromórfica, que busca replicar las extraordinarias habilidades computacionales del cerebro mediante el uso de innovadoras aplicaciones de hardware y software. El logro más reciente de su laboratorio es una nueva plataforma informática llamada Neurogrid, que simula la actividad de 1 millón de neuronas.

Neurogrid no es una supercomputadora. No se puede usar para simular el Big Bang, o pronosticar huracanes, o predecir epidemias. Pero lo que puede hacer lo diferencia de cualquier plataforma computacional en la tierra.

Neurogrid es la primera plataforma de simulación que puede modelar un millón de neuronas. en tiempo real. Como tal, representa una poderosa herramienta para investigar el cerebro humano. Además de proporcionar información sobre el funcionamiento normal del cerebro, tiene el potencial de arrojar luz sobre enfermedades cerebrales complejas como el autismo y la esquizofrenia, que hasta ahora han sido difíciles de modelar.

La capacidad demostrada para simular la función cerebral en tiempo real ha sido, hasta ahora, decepcionante. Por ejemplo, la simulación del supercomputador Blue Gene / Q Sequoia tomó más de 1,500 veces más de lo que le tomaría al cerebro hacer la misma actividad.

Están surgiendo en el mercado plataformas de simulación de cerebro más baratas que combinan la potencia de cálculo de las unidades de procesamiento central (CPU) tradicionales con las unidades de procesamiento gráfico (GPU) y las matrices de puertas programables en campo (FPGA) para lograr resultados comparables a los de Blue Gene. Sin embargo, aunque estos sistemas son más asequibles, siguen siendo frustrantemente más lentos que el cerebro.

Como lo expresa Boahen, "la buena noticia es que ahora usted también puede tener su propia supercomputadora. La mala noticia es que ahora también puede esperar una hora para simular un segundo de actividad cerebral".

Cuando considera que las simulaciones a veces necesitan ser revisadas, ajustadas, re-verificadas y ejecutadas cientos de veces, el valor de un sistema que puede replicar la actividad cerebral en tiempo real se vuelve obvio.

"Neurogrid no tarda una hora en simular un segundo de actividad cerebral", dice Boahen. "Se tarda un segundo en simular un segundo de actividad cerebral".

Cada uno de los 16 chips de Neurogrid contiene más de 65,000 "neuronas" de silicio cuya actividad se puede programar de acuerdo con casi 80 parámetros, lo que permite a los investigadores replicar las características únicas de diferentes tipos de neuronas. Las "sinapsis" cableadas cruzan el tablero, transmitiendo señales entre cada neurona simulada y las miles de neuronas con las que está conectada a la red, replicando efectivamente la charla eléctrica que constituye la comunicación en el cerebro.

Pero la diferencia fundamental entre la forma en que los sistemas informáticos tradicionales modelan el cerebro y la forma en que funciona Neurogrid reside en la forma en que se realizan y se comunican los cálculos en todo el sistema.

La mayoría de las computadoras, incluidas las supercomputadoras, se basan en la señalización digital, lo que significa que la computadora realiza las instrucciones esencialmente respondiendo "verdadero" o "falso" a una serie de preguntas. Esto es similar a cómo se comunican las neuronas: o bien disparan un potencial de acción, o no lo hacen.

La diferencia es que los cálculos que subyacen en si los disparos de una neurona son impulsados ​​o no por procesos continuos, no lineales, más parecidos a una señal analógica. Neurogrid utiliza una señal analógica para los cálculos y una señal digital para la comunicación. Al hacerlo, sigue el mismo enfoque híbrido analógico-digital que el cerebro.

Además de sus simulaciones superiores, también utiliza una fracción de la energía de una supercomputadora. Por ejemplo, Blue Gene / Q Sequoia consume cerca de 8 megavatios de electricidad, suficiente para alimentar a más de 1,600 hogares. Ocho megavatios a $ 0.10 / kWh es de $ 800 por hora, o un poco más de $ 7 millones al año.

Neurogrid, por otro lado, funciona con solo 5 vatios, la cantidad de energía utilizada por un solo cargador de teléfono celular.

En última instancia, Neurogrid representa una plataforma informática rentable y eficiente en el uso de la energía que Boahen espera revolucione nuestra comprensión del cerebro.

Para obtener más información sobre este proyecto, visite el sitio web del Dr. Boahen.

Nota del editor: La investigación representada en este artículo ha sido apoyada por el Fundación Nacional de Ciencia, la agencia federal encargada de financiar la investigación básica y la educación en todos los campos de la ciencia y la ingeniería. Las opiniones, hallazgos y conclusiones o recomendaciones expresadas en este material no reflejan necesariamente los puntos de vista de la National Science Foundation. Ver el Detrás del archivo de escenas.


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