Совсем как живой! Нейроморфный процессор CM1K от NeuroMemо

Несмотря на все достижения современных процессоров, самой универсальной вычислительной системой остается человеческий мозг. Компьютеры быстрее считают, быстрее решают логические задачи, да и вообще быстрее справляются с любыми другими формализованными задачами, но когда дело доходит до неких нестандартных ситуаций, то обычный компьютер оказывается бессильным, в отличие от нашего серого вещества. Именно человеческий мозг вдохновил инженеров на создание нейрокомпьютеров. Конкретным результатом таких разработок стал нейроморфный процессор CM1K от NeuroMem (Рис. 1).

Рис. 1. Достоинства нейропроцессора CM1K от NeuroMem.

Существует множество типов вычислительных систем: микроконтроллеры (МК), процессоры (ЦП), цифровые сигнальные процессоры (ЦСП), графические процессоры (ГП) и т.д. Они отличаются архитектурой, типом решаемых задач, функционалом. Однако у них есть и общие черты: они предназначены для работы с жестко детерминированными задачами и данными с конкретной структурой (Рис. 2). Параллельность вычислений для них, как правило, оказывается виртуальной (при использовании ОС) либо достигается увеличением числа ядер процессора. Работа в реальном времени возможна только при достаточном быстродействии, что очень часто требует увеличения потребляемой мощности.

Рис. 2.  Особенности существующих вычислительных систем.

В отличие от классических цифровых процессоров, нейропроцессоры представляют собой множество работающих параллельно элементарных ячеек – нейронов. При этом сами вычисления оказываются принципиально параллельными и осуществляются в реальном времени (Рис. 2). Более того, система оказывается самообучающейся, совсем как настоящий человеческий мозг!

Конечно, все преимущества нейропроцессоров отлично выглядят на бумаге, но все не так хорошо в реальности. Создать действующую и конкурентоспособную модель «живого» процессора оказывается делом непростым. До сих пор все существовавшие решения оказывались скорее экзотикой. Однако инженеры-разработчики не отчаиваются и продолжают предлагать потребителям все более совершенные продукты. Нейроморфный процессор CM1K от NeuroMem является реально существующим примером того, что нейротехнология может быть успешно реализована для коммерческого использования.

CM1K представляет собой кристалл, изготовленный по технологии 130 нм и содержащий сеть из 1024 нейронов. Архитектура процессора не имеет супервизора – все вычисления производятся параллельными нейронами, работающими на частоте до 27 МГц (Рис. 3). При этом потребление оказывается достаточно низким (от 0.5 Вт).

Рис. 3.  Внешний вид и структура нейропроцессора CM1K от NeuroMem.

CM1K специализируется для решения задач распознавания при анализе текстов, звуков, изображений, жестов и т.д.

Особенности процессора CM1K:

• Все нейроны одинаковы и получают и выполняют команды параллельно;
• Все нейроны соединены и действуют по принципу «победитель получает все» или по принципу определения новизны (если победитель не найден);
• Поиск решения ведется с помощью одного из методов: «K-ближайших соседей» (K-Nearest Neighbor, KNN) или сети радиально-базисных функций (Radial Basis Function, RBF);
• Все нейроны получают данные для обучения или распознавания одновременно;
• Процесс распознавания и обучения жестко детерминирован по времени (порядка микросекунд) и не зависит от числа нейронов;
• Нейросеть может быть расширена за счет параллельного включения нескольких CM1K;
• Обучение нейронов производится примерами;
• Состояние нейронов, полученное в процессе работы или обучения, может быть сохранено.

Стоит отметить, что CM1K не является абсолютно самостоятельным процессором, он скорее выполняет функции ускорителя при выполнении задач распознавания. По этой причине итоговая вычислительная система содержит управляющий процессор и одну или несколько микросхем CM1K (Рис. 4). Каскадирование CM1K происходит с использованием двунаправленной параллельной шины. Кроме нее для взаимодействия с нейропроцессорами опционально могут использоваться I²C и цифровая входная шина (digital input bus).

Рис. 4.  Расширение нейросети на базе CM1K.

Чтобы быстро разобраться со всеми особенностями CM1K, следует воспользоваться оценочной платой Braincard. Она содержит CM1K, конфигурируемую пользователем FPGA, а так же микрофон, видеокамеру, АЦП и 16 Мбайт SDRAM (Рис. 5). Данная отладочная плата имеет размеры, сравнимые с размерами кредитной карты, и является идеальной демонстрацией достоинств технологии NeuroMem. Braincard может служить платой расширения для таких популярных платформ как Arduino™, Raspberry Pi™ и Intel Edison.

Рис. 5.	Отладочный модуль Braincard на базе CM1K от NeuroMem.

Еще одной готовой платформой на базе CM1K является NeuroStack (Рис. 6). Это расширяемая система с возможностью включения до 16 плат, то есть 64 процессоров CM1K с общим числом нейронов 65536! Производительность системы составит 2.7×10¹² операций в секунду при потреблении всего 12 Вт. NeuroStack используется для самых мощных вычислений при работе со значительными объемами информации.

Рис. 6.	NeuroStack – самая мощная коммерческая вычислительная нейросистема.

В качестве заключения этой статьи хотелось бы отметить, что появление коммерческих продуктов, использующих нейротехнологии, показывает их перспективность и востребованность. Процессоры CM1K уже применяются в самых различных приложениях от смартфонов до систем безопасности дорожного движения (автомобильное зрение).

Характеристики нейропроцессора CM1K:

• число нейронов: 1024;
• объем памяти нейрона: 256 байт;
• методы распознавания: радиально-симметричные функции (Radial Basis Function, RBF) и метод k ближайших соседей (Radial Basis Function, RBF);
• выходные состояния: определен, неконкретный, неизвестен;
• рабочая частота: 27 МГц (одиночный процессор), 16 МГц (при параллельном включении процессоров);
• коммуникационные интерфейсы: параллельная шина (26 линий), I²C (400 кбит/с); цифровая входная шина Digital input bus (11 линий);
• напряжения питания: 3.3 В I/O и 1.2 В ядра;
• ток потребления (статика): 260 мА;
• корпус: TQFP-100 14×14 мм.

Характеристики платы Braincard:

• число процессоров CM1K: 1;
• число дополнительных процессоров CM1K (создание стека с помощью разъема расширения): до 9;
• вспомогательный вычислительный модуль: конфигурируемая пользователем FPGA Xilinx Spartan 6;
• сенсоры на плате: микрофон, 6-канальный 12-битный 1 Мб/с АЦП; CMOS камера (2592×1944 пикселей статика, 1080 пикселей при частоте 30 кадров в секунду, 720 пикселей при частоте 60 кадров в секунду);
• память: 16 Мбайт SDRAM;
• разъемы внешних сенсоров: два 6-контактных PMOD, разъем подключения дополнительного видео (для стереоизображения);
• разъемы расширения: коннектор подключения модулей RaspBerry Pi, посадочное место для разъема подключения модулей Arduino, коннектор для подключения процессора Intel Edison;
• интерфейсы: USB 2.0, Micro SD, HDMI;
• питание: 5 В от питающего разъема (power jack) или от модулей Arduino и Raspberry Pi.

Характеристики платы NeuroStack (одного модуля):

• число процессоров CM1K: 4;
• число модулей в стеке: до 16 (64 процессора CM1K);
• управляющее устройство: конфигурируемая пользователем FPGA Lattice XP2 FPGA (программирование через JTAG, USB, SPI);
• память: 2 Мбайт MRAM;
• интерфейсы: USB (чип FT232H), JTAG, SPI;
• питание: 5 В от USB (только для одиночного модуля NeuroStack) и 24 В от внешнего источника.

О компании

NeuroMem Inc. выделилась из состава компании General Vision в 2014 году для продвижения нейротехнологий под брендом с тем же названием (NeuroMem).

Основным направлением деятельности NeuroMem стало создание и продвижение решений в области распознавания объектов с использованием фирменных нейротехнологий (NeuroMem Pattern Matching Acceleration). Продукты компании применяются в областях машинного зрения, автомобильных системах безопасности, системах распознавания изображений и звуков.

Посмотреть подробные характеристики нейропроцессоров компании NeuroMem