Từ bộ não đến điện toán biết nhận thức (P2)

KIẾN TRÚC BÊN TRONG TRUENORTH

Các khối cấu thành quan trọng của TrueNorth là một lõi nơ-ron tiếp hợp, như được trình bày trong Hình 1, được kết nối thông qua một mạng lưới truyền thông với các lõi TrueNorth khác trong hệ thống. Ví dụ cụ thể về một lõi nơ-ron tiếp hợp mà nhóm nghiên cứu mô phỏng có 256 sợi trục thần kinh, 256 nhánh thần kinh kết nối 256 tế bào thần kinh và một ma trận khớp thần kinh đấu chéo nhị phân 256 X 256. Tế bào thần kinh là các mạch kỹ thuật số tích hợp-thoát-và-sáng lên, được đặc trưng bởi các tham số có thể cấu hình được và đủ để tạo ra một tiết mục phong phú của hành vi động và mang tính chức năng. Một tế bào thần kinh trên bất kỳ lõi TrueNorth nào đều có thể kết nối với một sợi trục trên bất kỳ lõi TrueNorth nào trong mạng; khi các tế bào thần kinh sáng lên, nó sẽ gửi một thông điệp xung đến sợi trục. Mỗi lõi TrueNorth hoạt động theo một mô hình song song, phân tán và bán đồng bộ. Mỗi lõi TrueNorth nhận được một xung nhịp đồng hồ chậm ở tốc độ 1000 Hz để rời rạc hóa các động lực của tế bào thần kinh theo các bước thời gian 1 ms. Nếu không, các sự kiện xung thần kinh sẽ định hướng mọi hoạt động trong hệ thống. Khi một lõi TrueNorth nhận được một xung từ đồng hồ có tốc độ chậm, nó xoay vòng thông qua từng sợi trục của nó.

Đối với mỗi sợi trục, nếu sợi thần kinh có một xung đã sẵn sàng để gửi đi tại bước thời gian hiện tại trong bộ đệm của nó, mỗi giá trị của khớp thần kinh trên đường khớp thần kinh ngang kết nối với sợi trục sẽ được gửi đến tế bào thần kinh hậu khớp thần kinh tương ứng của nó trong lõi TrueNorth của nó. Nếu giá trị khớp thần kinh cho một cặp sợi trục -tế bào thần kinh nhất định không bằng không (zero), thì các tế bào thần kinh sẽ tăng giá trị tiềm năng của màng bởi một trọng số (có thể là ngẫu nhiên) tương ứng với loại của sợi trục. Sau khi tất cả các sợi trục đã được xử lý, mỗi tế bào thần kinh áp dụng một phép thoát ngẫu nhiên, có thể cấu hình được và một nơ-ron thần kinh có giá trị tiềm ẩn của màng của nó vượt quá mức ngưỡng của mình và sẽ tạo ra một xung. Mỗi xung sau đó được gửi thông qua mạng truyền thông đến sợi thần kinh mục tiêu tương ứng của nó. Một sợi thần kinh tiếp nhận một xung sẽ lập lịch xung đó để gửi trong một bước thời gian tương lai trong bộ đệm của nó. Toàn bộ chu trình đó được lặp đi lặp lại khi lõi TrueNorth nhận được xung tiếp theo từ đồng hồ có tốc độ chậm. Các tế bào thần kinh đại diện cho phần tính toán, các khớp thần kinh đại diện cho bộ nhớ và các kết nối tế bào thần kinh - sợi trục đại diện cho mạng truyền thông. Mỗi lõi TrueNorth đưa phần tính toán và bộ nhớ đến cực gần nhau phá vỡ các nút thắt trong kiến trúc von Neumann. Lưu ý rằng khớp thần kinh hoặc trạng thái thần kinh không bao giờ rời khỏi một lõi TrueNorth và chỉ có các xung mới đi vào hoặc rời khỏi lõi TrueNorth. Mạng truyền thông chỉ được điều khiển chỉ bởi các sự kiện xung và không cần đồng hồ. Các thông số tế bào thần kinh, tiếp khớp thần kinh và sợi trục tế bào mục tiêu cho từng tế bào thần kinh đều có thể cấu hình lại được trên toàn bộ hệ thống. Để đảm bảo sự tương đương một-một giữa TrueNorth và Compass, các nhà khoa học đã dành sự quan tâm thích hợp trong việc thiết kế cả hai hệ thống. Ví dụ, nhóm nghiên cứu đã bỏ qua sự phức tạp của các tế bào thần kinh analog từ trước tới nay được kết hợp với các hệ thống thần kinh. Ngoài ra, họ đã áp dụng máy phát số giả ngẫu nhiên với các hạt (seed) có thể cấu hình được. Kết quả là, Compass đã trở thành kết nối chính giữa các kiến trúc sư phần cứng và các nhà thiết kế ứng dụng/thuật toán phần mềm.

Minh Thiện

Tài liệu tham khảo

[1].R. ANANTHANARAYANAN and D. S. MODHA, Anatomy of a cortical Simulator, in Supercomputing 07/2007.
[2].R. ANANTHANARAYANAN, S. K. ESSER, H. D. SIMON, and D. S. MODHA, The catis outof the bag: cortical simulations with 109 neurons, 1013synapses, in Proceedings of the Conference on High Performance Computing Networking, Storage and Analysis, ser. SC '09. New York, NY, USA: ACM, 2009, pp. 63:1-63:12. [Online]. Available: http://doi.acm.org/10.1145/1654059.1654124.
[3].Nhóm các nhà nghiên cúu IBM (IBM Research), Compass: A scalable simulator foran architecture for Cognitive Computing.

(TCTTTT Kỳ 1/11/2014)