An der University of Manchester, School of Computer Science, wurde der weltweit größte neuromorphe Supercomputer gestartet. Er arbeitet mit neuromorphen Architekturen, um menschliche Strukturen wie das Gehirn nachzubilden. Bislang waren vor allem neuromorphe Schaltkreise, Chips und Prozessoren bekannt.
200 Millionen Aktionen pro Sekunde
Die jetzt vorgestellte Maschine „Spiking Neural Network Architecture“ („SpiNNaker“) besteht aus einer Million Prozessorkernen. Sie ist in der Lage, mehr als 200 Millionen Aktionen pro Sekunde durchzuführen, wobei jeder ihrer Chips 100 Millionen bewegliche Teile aufweist. „SpiNNaker“ kann mehr Neuronen in Echtzeit modellieren als jeder bislang gebaute Supercomputer.
Neurobiologische Computerarchitektur umgesetzt
Das geht so: Im Nervensystem kommunizieren Neuronen vor allem über elektrochemische Potenzialdifferenzen. Beim neuromorphen Computing ahmen Entwickler diese Vorgänge mit Schaltungen nach: „SpiNNaker“ arbeitet nicht wie ein herkömmlicher Computer, indem er große Datenmengen von Punkt A nach Punkt B über ein Standardnetzwerk sendet. Stattdessen wird die parallele Kommunikationsarchitektur des Gehirns imitiert. Der Supercomputer verteilt Milliarden kleiner Informationspakete gleichzeitig an mehrere tausend Zielstrukturen.
„SpiNNaker überdenkt die Funktionsweise herkömmlicher Computer völlig neu“, erklärt Steve Furber. Er ist Professor für Technische Informatik an der University of Manchester’s School of Computer Science und war an der Entwicklung beteiligt. „Wir haben im Wesentlichen eine Maschine entwickelt, die mehr wie ein Gehirn als wie ein herkömmlicher Computer funktioniert.“ Als wichtigste Einsatzmöglichkeiten nennt Furber die Neurobiologie und die Medizin.
Spinnaker soll Prozesse im Gehirn simulieren
Forscher sind ihrem Ziel, das Gehirn von Säugetieren zu simulieren, jedenfalls einen großen Schritt nähergekommen. Zum Vergleich: „SpiNNaker“ könnte bis zu 1 Milliarde Neuronen in Echtzeit simulieren. Das Gehirn von Mäusen besteht aus etwa 100 Millionen Neuronen und das menschliche Gehirn ist 1.000 Mal größer. Eine Milliarde Neuronen im Supercomputer bilden damit 1% unseres Gehirns ab.
Die Entwicklung könnte Neurowissenschaftlern helfen, die Funktionsweise neuronaler Vorgänge besser zu verstehen. Dies geschieht anhand extrem großer Echtzeit-Simulationen, die auf anderen Maschinen nicht möglich sind. So wurde „SpiNNaker“ schon jetzt zur Modellierung von Verarbeitungsprozessen bei einer Reihe von isolierten Gehirnnetzwerken eingesetzt. Dazu gehört ein 80.000 Neuronen-Modell von bestimmten Regionen der Großhirnrinde. Diese auch als Cortex bekannte Struktur ist im Gehirn ganz außen lokalisiert. Sie empfängt und verarbeitet Sinnesreize.
Einsatz in der medizinischen Forschung
„SpiNNaker“ könnte auch die Erforschung von Krankheiten wie Morbus Parkinson voranbringen. Bei der neurologischen Erkrankung gehen u.a. Nervenzellen in der Substantia nigra, einer Struktur im Mittelhirn, zugrunde. Typische Symptome der „Schüttellähmung“ werden mit Funktionsstörung von Basalganglien in Verbindung gebracht. Mit dem System haben Wissenschaftler die Chance, Prozesse zu simulieren, aber auch Wirkstoffe in silico, also im Computer, zu testen. Hier besteht großer Bedarf. Denn trotz intensiver Forschung lässt sich die Parkinson-Krankheit derzeit nicht heilen. Zudem könnte „SpiNNaker“ zum Vorbild für die Entwicklung neuer Computertechniken werden – jenseits der derzeit verbreiteten Funktionsweise.
Lange Vorlaufzeit
Für „SpiNNaker“ brauchten die Entwickler einen langen Atem. Bis Furber und Kollegen ihr neues System in Betrieb setzen konnten, vergingen 20 Jahre für die Konzeption und 10 Jahre für den Bau. Als Budget nennt die University of Manchester 15 Millionen Pfund, sprich 17 Millionen Euro. Das Projekt wurde von der britischen Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) initial finanziert und bekommt nun Gelder vom European Human Brain Project.
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