Energy efficient brain simulator outperforms supercomputers
http://phys.org/news/2013-04-energy-efficient-brain-simulator-outperforms.html
Apr 24, 2013
在 2012 年 11 月，IBM 宣佈他們使用 Sequoia 這部 Blue Gene/Q 超級電腦達成史無前例的、超過 5300 億個神經元的模擬。Blue Gene/Q Sequoia 能達到此等功績是因為它驚人的超快速度：其時脈超過每秒 1.6 京（譯註：十後面十六個零）次計算。事實上，它目前為世上第二快的超級電腦（譯註：Sequoia 在 2013 年 6 月排名第三，第一則是中國的天河二號）。
但是，根據 Kwabena Boahen, Ph.D. 表示，Blue Gene 的運算能力仍無法與頭腦相比。
"事實上，頭腦每秒所進行的計算，甚至比最快速的超級電腦還要多，" 史丹佛大學教授、Brains in Silicon 研究實驗室主任、NSF Faculty Early Career 獲獎人 Boahen 表示。
這並不表示頭腦比一部超級電腦更快。事實上，它慢多了。頭腦每秒之所以能進行更多計算，是因為它的「巨量平行（massively parallel）」，意思是神經元的網路同時運作，一次解決大量的問題。傳統的運算平台，無論多快，都是循序運作，意思是，每一步驟必須在下一步驟開始前完成。
Boahen 在一個新興領域稱為「仿神經工程（neuromorphic engineering）」進行研究，那試圖利用創新的硬體與軟體應用重現（replicate）頭腦的非凡運算能力。其實驗室最近的成就是一種新的運算平台，叫做 Neurogrid（神經網格）那能模擬 1 百萬個神經元的活動。
Neurogrid 並非超級電腦。它無法用來模擬大霹靂，或預報颶風，或預測流行病。但它所能辦到的事使其有別於世上任何運算平台。
Neurogrid 是第一個能即時（real time，實時）塑模一百萬個神經元的模擬平台。據此，它代表一種用來研究人腦的強大工具。除了讓人一窺頭腦的正常運作外，它還有前力能闡明複雜的腦部疾病，諸如自閉症與精神分裂症，那到目前為止仍難以塑模。
到目前為止，證明能夠即時模擬腦部功能，似乎沒有什麼特出之處。（不過來）舉個例子好了：Blue Gene/Q Sequoia 超級電腦的模擬要花 1,500 倍的時間才能做到腦部所進行的相同活動。
結合了傳統 CPUs、GPUs 以及 FPGAs 的運算力，達到可與 Blue Gene 相比擬之結果的廉價腦部模擬平台正從市面上浮現。然而，這些系統雖然比超級電腦更能讓人負擔得起，但令人沮喪的是，它們仍比頭腦慢。
一如 Boahen 所述："好消息是現在你也能有一部屬於你的超級電腦。壞消息是，你也要花上一個小時的時間才能模擬頭腦一秒鐘的活動。"
當你考慮到進行模擬時，有時候需要檢查、調校、再檢查然後再重跑幾百次，一套能夠「即時」重現腦部活動的系統，其價值就顯而易見了。
"Neurogrid 並沒有花一小時的時間來模擬腦袋一秒鐘的活動，" Boahen 表示。"它花「一秒鐘」來模擬「一秒鐘」的腦部活動。"
Neurogrid 上面的 16 個晶片，每一個都包含超過 65,000 個「矽神經元」，其活動可根據近乎 80 種參數來程式化，讓研究者能夠重現不同類型神經元的獨特特徵。在電路板上綜橫交錯的軟接線（Soft-wired，可用軟體控制的）「突觸（synapses）」，在每個被模擬的神經元以及數千個「網路化」的神經元間來回發射訊號，有效地重現電氣的喋喋不休，那構成腦中的通訊。
但與傳統運算系統塑模間的根本差異在於，頭腦以及 Neurogrid 的運作方式，有賴在整個系統上完成的與溝通的運算。
絕大部分的電腦，包括超級電腦，端賴數位化發訊（digital signaling），意思是，電腦基本上是透過對一系列問題回答「真」或「假」來執行指令。這類似神經元如何溝通：它們不是發射某種動作電位（action potential），就是不發射。
不同之處在於，以「某個神經元是否發射」為基礎的運算，是由持續的、非線性的過程所控制，更像一種類比訊號。Neurogrid 使用某種類比訊號來運算，另一種數位訊號來通訊。這麼做，能使該系統像腦部一樣，遵循同樣混合類比--數位的方法。
除了其優異的模擬外，其所使用的能源只有一部超級電腦所用的一小部份。例如：Blue Gene/Q Sequoia 消耗近乎 8 百萬瓦特的電力，足以供電給 160,000 戶以上的人家。八百萬瓦特以 $0.10/kWh 的價格計算，結果是每小時要 $800 元，一年就要 $700 萬元。
另一方面，Neurogrid 僅需微不足道的 5 瓦就能運作，單個手機充電器所使用的總電量。最後，Neurogrid 代表一種具成本效益、能源效益的運算平台，Boahen 希望那將革新我們對於頭腦的理解。
關於此計畫的更多資訊，請參訪 Dr. Boahen 的網站。（http://www.stanford.edu/group/brainsinsilicon/）
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