英科學家企圖以百萬顆ARM處理器模擬人腦

英國有一項研究計畫，打算將上百萬顆 ARM 處理器連結在一起，以模擬人腦的運作；該計畫所需晶片是由曼徹斯特大學(Manchester University)設計、已在台灣完成製造，將組裝成一部命名為SpiNNaker (Spiking Neural Network architecture，棘波神經網路架構)之大規模平行運算電腦。據了解，那些特製晶片是採用舊款的ARM指令集架構，在上個月已經送抵曼徹斯特大學，並已經通過功能性測試。


參與SpiNNaker研究計畫的成員，除了曼徹斯特大學之外，還包括南安普敦 (Southampton)、劍橋(Cambridge)以及雪菲爾(Sheffield)等大學，並取得了500萬英鎊(約800萬美元)的英國政府補助。該計畫主持人是曼徹斯特大學教授Steve Furber，他鑽研人腦功能與架構數年，也是今日ARM處理器核心前身──Acorn RISC Machine的共同設計者；他表示：「我們正在執行小規模的模擬，將在接下來的18個月將規模擴大。」

研究人員指出，人腦中有約1,000億個神經元(neuron)，以及1,000兆(trillion)個連結；因此就算是曼徹斯特大學所開發的、內含100萬顆特製ARM處理器核心的電腦，也只能模擬約1%的人腦。

神經元在大腦內的功能，是像類比電子棘波(electrical spikes)那樣傳送資訊，SpiNNaker會以描述性資料封包(packets of descriptive data)的形式進行模擬。而神經網路處理那些棘波的過程，則會以在ARM處理器上執行的模型或是虛擬神經元形式呈現；其架構以及利用數位資料封包的方式，意味著SpiNNaker能以媲美人腦的速度，以眾多小數量的物理連結來傳送棘波。

Furber的團隊是在2009年設計出首款測試晶片原型，最新的版本是在單晶片上配備18顆 ARM核心、搭配記憶體與約1W的電源；該晶片是委託台灣晶圓代工廠聯電(UMC)以0.13微米CMOS製程生產，Furber指出，晶片內含約1億個電晶體，主要在分佈晶片上的55個32-kbyte SRAM功能區塊中。

至於搭配的記憶體晶片，則是美光(Micron)所生產的1Gbit DDR SDRAM，運作頻率166MHz；Furber表示，那些記憶體是以良品裸晶形式與SpiNNaker的 ARM處理器裸晶一起，組合成300接腳的BGA封裝晶片。

Furber指出：「我們還不知道人腦是如何以資訊處理系統的形式運作，這也是我們需要找到的答案；希望我們開發的系統能在這方面有所突破。」處理器核心供應商ARM也贊助了SpiNNaker計畫，在2005年將處理器核心與實體IP提供給研究團隊。

電子工程專輯 2011/07/18 Judith Cheng

相關連結
A million ARM cores to host brain simulator (EETimes)




ARM百萬處理核心 模擬人類大腦
   


 英國曼徹斯特大學打算利用一百萬顆ARM處理核心來模擬人類大腦的神經元網路，以及研究新的運算模式。

這台SpiNNaker運算架構的核心是由50,000顆左右的ARM 968系列多核心、低耗電內嵌式處理器所構成，曼徹斯特大學日前表示，這台機器輕鬆通過了他們的功能測試。

曼徹斯特大學的運算工程教授兼該項計畫領導人Steve Furber表示，「這項計畫的最基本任務是，創造出可以驗證心理學與神經科學有關資訊如何流經大腦的假設的通用運算平台。」

Furber也希望透過相當類似於大腦的結構，能讓研究人員開發出更分散式且更有彈性的電腦系統。「目前我們打造電腦的方式並無法應付零組件故障的問題，但是大腦可以。我們不知道如何設計出具有如此彈性的系統」，Furber在1980年代於Acorn任職時曾協助設計出Advanced RISC Machine (ARM) 32位元處理器，當時ARM尚未分家成為獨立的公司。

最終，這些晶片將會構成由SpiNNaker（脈衝神經網路; spiking neural network）架構所組成的超級電腦，其中每顆晶片都位在二維的網狀網路(mesh network)之內，連結其他六顆左右的晶片。每顆處理器擁有18個核心與大約一億個電晶體，它會連結至128MB的DRAM，它的電晶體數量為十億個。英特爾的Sandy Bridge架構Core i5-750處理器擁有7億7,400萬個電晶體。英特爾的伺服器與超級電腦處理器Xeon Nehalem-EX擁有大約23億個電晶體。

Furber指出，目前，研究人員正在以一塊內含四顆ARM處理器的卡來測試該系統，總核心數為72個。他們希望打造出具有1,000個核心的卡式系統。到年底之前，研究人員希望能組成具有10,000個核心的SpiNNaker架構，並在2012年推升至百萬個核心。

Furber解釋，每一個晶片將會模擬神經在彼此傳遞資訊時所產生的脈衝。由於任何處理器都可以轉變成任何特定的神經元，因此整台超級電腦都可以修改，雖然它只能模擬人類大腦的大約1%，但卻可以針對其他實驗修改來模擬不同的部分。

要完整模擬整個大腦目前還是不可能的任務。在六月時，法國一家學院預測要到大約2023年才可能創造出數位大腦。

Furber估計SpiNNaker架構將會有40億個神經元的規模限制，相較於人類大腦約有一千億個神經元，但是經由研究，這項障礙也有可能突破。

這些研究人員選擇ARM的原因是因為Furber對於該架構很熟悉，以及它的耗電相對較低—ARM 968晶片所構成的處理器每一顆僅耗電一瓦。

 ZDNet Taiwan 2011/07/13 T.I.M譯

相關學術連結
SpiNNaker - A Universal Spiking Neural Network Architecture (Manchester University)