Кіріспе
биологияны есептеуде шабыт көзі ретінде пайдалану. Биологиялық шабыттандырылған есептеу – биология модельдерін қолдана отырып, компьютерлік ғылым мәселелерін шешуге бағытталған зерттеу саласы. Ол байланыс, әлеуметтік мінез-құлық және жаңа құбылыстардың пайда болуымен байланысты. Компьютерлік ғылымда биологиялық шабыттандырылған есептеу жасанды интеллект және машиналық оқытумен тығыз байланысты. Биологиялық шабыттандырылған есептеу – табиғи есептеудің маңызды бір бөлігі.
Bio inspired computing, short for biologically inspired computing, is a field of study which seeks to solve computer science problems using models of biology. It relates to connectionism, social behavior, and emergence. Within computer science, bio inspired computing relates to artificial intelligence and machine learning. Bio inspired computing is a major subset of natural computation.
Жасанды интеллект
Био-шабытталған есептеуді компьютерлік оқытуға қатысты тәсілдері арқылы дәстүрлі жасанды интеллекттен ажыратуға болады. Био-шабытталған есептеу эволюциялық тәсілді пайдаланады, ал дәстүрлі Ж.И. "жаратушылық" тәсілді қолданады. Био-шабытталған есептеу қарапайым ережелер жиынтығымен және сол ережелерге бағынатын қарапайым организмдермен басталады. Уақыт өте келе, бұл организмдер қарапайым шектеулер ішінде эволюциялайды. Бұл әдіс төменнен жоғарыға қарай немесе орталықтандырылмаған деп қарастырылуы мүмкін. Дәстүрлі жасанды интеллектте интеллект көбінесе жоғарыдан бағдарламаланады: бағдарламалаушы – жаратушы, ол бір нәрсені жасайды және оған интеллект сыйлайды.
Ми арқылы жасалған есептеу
Миға негізделген есептеулер – мидың жұмыс істеу механизміне негізделген, бірақ миды толықтай қайталауға ұмтылмаған есептеу модельдері мен әдістері. Мақсаты – машинаға адамның түрлі танымдық қабілеттерін және үйлестіру механизмдерін ми сияқты іске асыру мүмкіндігін беру, соңында адам интеллектына жете алу немесе одан да асып түсу.
Зерттеу
Жасанды интеллект зерттеушілері мидың ақпаратты өңдеу механизмінен үйренудің пайдалы екенін қазірде түсінеді. Ми ғылымы мен нейробиологияның прогресі де жасанды интеллектке мидың ақпаратты өңдеу механизмінен үйрену үшін қажетті негізді ұсынып отыр. Ми және нейробиология ғалымдары да мидың ақпаратты өңдеуін түсінуді ғылымның көптеген салаларына қолдануға тырысуда. Бұл ғылым саласының дамуы ақпараттық және интеллектуалды технологиялардың өркендеуінен пайда көреді, ал өз кезегінде ми және нейробиология ақпараттық технологиялардың келесі буынының өзгеруіне шабыттандырады.
Ми ғылымының миға негізделген есептеулерге әсері
Ми және нейробиология ғылымындағы жетістіктер, әсіресе жаңа технологиялар мен жаңа құралдардың көмегімен, зерттеушілерге әртүрлі тәжірибелік әдістер арқылы мидың көп деңгейлі, көп түрлі биологиялық деректерін алуға мүмкіндік береді және биологиялық интеллект құрылымын әртүрлі аспектілер мен функционалдық негіздері бойынша ашуға тырысады. Микроскопиялық нейрондардан, синапстық жұмыс істеу механизмдері мен олардың ерекшеліктерінен бастап, мезоскопиялық желілік байланыс моделіне, макроскопиялық ми аймақтарындағы байланыстарға және олардың өзара әрекеттесу ерекшеліктеріне дейін, осы тәжірибелік және механизмдік зерттеулерден алынған мидың көп деңгейлі құрылымы мен функционалдық механизмдері болашақ миға ұқсас есептеу модельдерін құру үшін маңызды шабыт көзі болады.
Мидан жасалған чип
Жалпы алғанда, миға ұқсас чип – адам миының нейрондарының құрылымы мен адам миының танымдық үлгісіне сілтеме жасай отырып жасалған чип. Әрине, "нейроморфтық чип" – бұл миға ұқсас чиптің бір түрі, ол чип құрылымын адам миының нейрондық моделі мен оның тіндік құрылымына сәйкес жасауға баса назар аударады және миға ұқсас чиптерді зерттеудің маңызды бағытын көрсетеді. Әртүрлі елдерде "ми жоспарларының" пайда болуы мен дамуымен бірге нейроморфтық чиптер бойынша көптеген зерттеу нәтижелері пайда болды, олар халықаралық деңгейде кеңінен танылып, академиялық қауымдастық пен индустрияда жақсы белгілі болды. Мысалы, Еуроодақтың қолдауымен SpiNNaker және BrainScaleS, Стэнфордтың Neurogrid, IBM-нің TrueNorth және Qualcomm-ның Zeroth. TrueNorth – IBM компаниясы шамамен 10 жыл бойы дамытып келе жатқан миға ұқсас чип. АҚШ-тың DARPA бағдарламасы 2008 жылдан бері IBM-ді интеллектуалды өңдеу үшін импульстіқ нейрондық желілер чиптерін әзірлеуге қаржыландырып келеді. 2011 жылы IBM ми құрылымдарын модельдеу арқылы ақпаратты ми сияқты үйрене және өңдей алатын екі когнитивтік кремний прототипін жасады. Миға ұқсас чиптің әр нейроны зор параллелизммен байланысқан. 2014 жылы IBM "TrueNorth" деп аталатын миға ұқсас чиптің екінші буынын шығарды. Бірінші буынның миға ұқсас чиптерімен салыстырғанда, TrueNorth чипінің өнімділігі күрт артты, нейрондардың саны 256-дан 1 миллионға дейін өсті; бағдарламаланатын синапстардың саны 262 144-тен 256 миллионға дейін өсті; жалпы қуат тұтынуы 70 мВт, ал бір шаршы сантиметрге шаққандағы қуат тұтынуы 20 мВт құрады. Сонымен қатар, TrueNorth-тың көлемі бірінші буын ми чиптерінің 1/15 бөлігін ғана құрайды. Қазіргі уақытта IBM 16 TrueNorth чипін пайдаланатын, нақты уақыт режимінде бейне өңдеуге қабілетті нейрондық компьютердің прототипін жасады. TrueNorth чипінің өте жоғары көрсеткіштері мен артықшылықтары оның жарияланған сәттен бастап академиялық әлемде үлкен қызығушылық тудырды. 2012 жылы Қытай Ғылым академиясының Есептеу технологиясы институты (CAS) және француздық Inria әлемдегі алғашқы терең нейрондық желі процессор архитектурасын қолдайтын "Cambrian" чипін бірлесіп әзірледі. Бұл технология компьютерлік архитектура саласындағы ең беделді халықаралық конференцияларда – ASPLOS және MICRO-да жеңіске жетті, оның жобалау әдісі мен өнімділігі халықаралық деңгейде мойындалды. Бұл чип миға ұқсас чиптерді зерттеу бағытының көрнекті өкілі ретінде қарастырылуы мүмкін.
Ми механизмі түсініксіз
Адам миы эволюцияның нәтижесі. Оның құрылымы мен ақпаратты өңдеу механизмі үнемі жетілдіріліп келеді, бірақ эволюция процесінде шарасыздықтар кездеседі. Бас ми жүйке жүйесі – көп деңгейлі құрылым. Әр деңгейдегі ақпаратты өңдеу механизміне қатысты әлі де шешілмеген маңызды мәселелер бар, мысалы, нейрондардың ұсақ байланыс құрылымы және ми деңгейіндегі кері байланыс механизмі. Сондықтан, нейрондар мен синапстардың жалпы санын есептегеннің өзі адам миының көлемінің 1/1000 бөлігін ғана құрайды, және оны қазіргі ғылыми зерттеу деңгейінде зерттеу өте қиын. Соңғы жылдары миді модельдеудегі жетістіктер адамның когнитивтік өңдеу жылдамдығы мен икемді интеллексінің жеке ерекшеліктерін мидың құрылымдық желілеріндегі қозу мен тежеу арасалмақтылығына, функционалды байланысқа, «жеңімпаз алады» қағидасы бойынша шешім қабылдауға және тартымды жұмыс жадына байланыстырып көрсетті.
Беймәлім Мидан жасалған есептеу модельдері мен алгоритмдер
Болашақтағы когнитивті ми есептеу моделі зерттеулерінде, мидың ақпараттық өңдеу жүйесін мидың көп деңгейлі нейрондық жүйе деректерін талдау нәтижелеріне сүйене отырып модельдеу, мидан шабыттанған көп деңгейлі нейрондық желі есептеу моделін құру және мидың көп түрлілігін көп деңгейде симуляциялау қажет. Сезіну, өзіндік оқыну және жад, таңдау сияқты зиялы мінез-құлық қабілеттерін дамыту керек. Машиналық оқыту алгоритмдері икемді емес және үлкен көлемде қолмен белгіленген жоғары сапалы үлгі деректерін талап етеді. Модельдерді оқыту үшін көп есептеу ресурстары қажет. Мидан шабыттанған жасанды интеллект әлі де жетілген танымдық және логикалық оқыну қабілеттерінен кемшілік көреді.
Шектелген есептеу архитектурасы мен мүмкіндіктері
Қазіргі кездегі мидан шабыттанған чиптердің көпшілігі әлі де фон Нейман архитектурасының зерттеулеріне негізделген, ал чиптерді өндіруге қолданылатын материалдардың көпшілігі әлі де дәстүрлі жартылай өткізгіш материалдар болып табылады. Нейрочип мидың ақпаратты өңдеудің ең қарапайым бірлігін ғана пайдаланады. Сақтау және есептеудің біріктірілуі, импульстік разряд механизмі, нейрондар арасындағы байланыс механизмі және әр түрлі масштабтағы ақпаратты өңдеу бірліктері арасындағы механизм сияқты ең негізгі компьютерлік жүйелер миға негізделген есептеу архитектурасын зерттеуге енгізілмеген. Қазіргі таңдағы маңызды халықаралық бағыт – нанометрлер сияқты жаңа материалдарға негізделген ми мемристорлары, жад контейнерлері және сенсорлық сенсорлар сияқты нейрондық есептеу компоненттерін әзірлеу, осы арқылы миға негізделген күрделі есептеу архитектураларын құруға қолдау көрсету. Миға негізделген компьютерлерді және миға негізделген чиптерді дамытуға негізделген кең ауқымды ми есептеу жүйелерін әзірлеу үшін, оның кең қолданылуын қамтамасыз ету үшін тиісті бағдарламалық қамтамасыз ету ортасы да қажет.