Исследование существующих систем моделирования деятельности головного мозга с целью выявления проблемных участков и несовершенств ПО высокой сложности
|
Введение 3
Постановка задачи 6
Обзор литературы 8
Глава 1. Особенности асимметрии головного мозга человека 24
1.1. Экспериментальное подтверждение асимметрии мозга 24
1.2. Физиологические особенности головного мозга 27
1.3. Мозг и психика человека 30
1.4. Влияние эмоций на принятие решений 32
1.5. Особенности менталитета 33
Глава 2. Выбор компонентов установки 35
2.1 TrueNorth 35
2.2 POWER9 39
2.3 GPU NVIDIA Tesla P100 и хост-сервер DGX-1 43
2.4 Выбор решения, моделирующего деятельность правого полушария . 47
Глава 3. Тестирование производительности компонентов 50
3.1 Тестирование производительности сети 50
3.2 Тестирование NVIDEA GPU Tesla P100 59
Глава 4. Конфигурация экспериментальной установки, моделирующей
деятельность мозга 67
Выводы 69
Заключение 70
Список литературы 72
Постановка задачи 6
Обзор литературы 8
Глава 1. Особенности асимметрии головного мозга человека 24
1.1. Экспериментальное подтверждение асимметрии мозга 24
1.2. Физиологические особенности головного мозга 27
1.3. Мозг и психика человека 30
1.4. Влияние эмоций на принятие решений 32
1.5. Особенности менталитета 33
Глава 2. Выбор компонентов установки 35
2.1 TrueNorth 35
2.2 POWER9 39
2.3 GPU NVIDIA Tesla P100 и хост-сервер DGX-1 43
2.4 Выбор решения, моделирующего деятельность правого полушария . 47
Глава 3. Тестирование производительности компонентов 50
3.1 Тестирование производительности сети 50
3.2 Тестирование NVIDEA GPU Tesla P100 59
Глава 4. Конфигурация экспериментальной установки, моделирующей
деятельность мозга 67
Выводы 69
Заключение 70
Список литературы 72
Проблема исследования мозга человека, проблема соотношения мозга и психики - одни из самых сложных задач, которые ставились в науке. Ученые поставили цель познать нечто, равное по сложности самому инструменту познания. Не приборы и не методы - главное средство познания, им остается - мозг человека.
К решению сверхсложной задачи начали подходить с исследования мозга мыши. Мозг мыши дает представление о базовых строительных блоках, которые относятся ко всем млекопитающим, в том числе к людям. Вычислительную мощность анализа мозга мыши осуществляет Blue Gene/Q - мощнейший суперкомпьютер фирмы IBM.
На сегодняшний день с помощью Blue Gene/Q исследователи из IBM смоделировали только 4,5% нейронов и синапсов мозга человека. Исследователи постепенно изучают работу мозга, разбивая его на маленькие части, что говорит о том, что все функции и возможности мозга не рассматриваются. Кроме того, составляя примерную оценку вычислительной мощности суперкомпьютеров, которые смогли бы обрабатывать всю информацию мозга, потребуется ни один компьютер Blue Gene, а тысячи таких компьютеров, которые территориально займут небольшой городок. Производством энергии для этих суперкомпьютеров занималась бы целая атомная станция, но при этом наш мозг обходится малым потреблением энергии, например, из пищи. Даже, если в ближайшее время ученым удастся создать физическую модель мозга, допустим, кошки и выстроить его функционирование и деятельность, кошка с таким мозгом не сможет поймать мышь. В таком мозге нет теменной доли, поэтому нет сенсорных и моторных связей с внешним миром, базовые связи не представляют мыслительные процессы кошки. В таком мозгу нет ни обратных связей, ни воспоминаний о выслеживании добычи или поиске партнера. Компьютеризированный мозг
чистый лист бумаги, лишенный всяких воспоминаний и инстинктов.
Одна из целей исследования мозга — возможность понять механизмы возникновения различных неврологических заболеваний и деменции. Миллиарды людей страдают от психических заболеваний, причина которых до сих пор неизвестна, неясно, что именно в мозге работает не так — какой путь, синапс или нейрон. Возможно, патологии вызваны не массовым разрушением нейронов, а их неверной коммутацией.
Одним из примеров такого нарушения может стать синдром Капгра, при котором вы видите женщину, узнаете в ней свою мать, но считаете, что эта женщина — самозванка. По мнению индийского невролога, психолога и доктора медицины В.С. Рамачандрана эта редкая болезнь может вызываться нарушением связи между двумя частями мозга. За узнавание лица матери отвечает веретенообразная извилина височной доли мозга, а за эмоциональную реакцию на это — мозжечковая миндалина. Если связь между этими отделами мозга нарушена, человек узнает свою мать, но, поскольку эмоциональной реакции на это не возникает, он убеждается, что это самозванка [1]. Кроме того, схема мозга помогла бы разрешить такие базовые, но до сих пор не проясненные вопросы, как принцип хранения долговременных воспоминаний. Известно, что определенные части мозга, такие как гиппокамп и мозжечковая миндалина, отвечают за хранение воспоминаний, но до сих пор не ясно, как эти воспоминания распределяются по разным участкам коры, а затем собираются воедино [2].
Актуальность. Исследование мозга является важнейшей задачей человечества не только для понимания биологических механизмов, наших мыслей, эмоций, сознания, - которые и делают нас людьми, но и по практическим соображениям. Понимание мыслительных процессов мозга и сознания человека даст возможность создавать кардинально другие, мощнейшие вычислительные системы, ставя под сомнение привычное технологическое мироустройство. Исследование мозга так же необходимо для понимания, диагностики и лечения заболеваний, что является глобальной проблемой в современном мире. Ответы на вопросы о деятельности мозга исчерпают потребность проводить эксперименты на животных, что приведет человечество к новому культурному развитию.
В мировом сообществе существуют несколько ведущих проектов, занимающихся разработкой программного обеспечения по моделированию мозга: Blue Brain Project, Human Brain Project, Human Connectome Project, Allen Human Brain Atlas, Watson (IBM), DARPA SyNAPSE. Проекты направлены, в основном, на использование нейроморфных вычислений - применяя искусственные нейронные сети в комбинации со специализированными чипами, архитектура которых напоминает структуру мозга и является аппаратной поддержкой нейронных сетей, а также на реализацию механизмов нейро-физико-химического взаимодействия нейронов между собой и окружающей средой. Это основа, которая может дать ответы на фундаментальные вопросы о работе самих нейронов, - передачи информации через нервные импульсы от нейрона к нейрону благодаря различным конфигурациям нейронов и синапсов. Однако, так как человеческий мозг содержит 86 миллиардов нейронов, каждый из которых имеет в среднем 1750 связей с другими нейронами, текущей мощности суперкомпьютеров недостаточно для моделирования всего человеческого мозга [3].
К решению сверхсложной задачи начали подходить с исследования мозга мыши. Мозг мыши дает представление о базовых строительных блоках, которые относятся ко всем млекопитающим, в том числе к людям. Вычислительную мощность анализа мозга мыши осуществляет Blue Gene/Q - мощнейший суперкомпьютер фирмы IBM.
На сегодняшний день с помощью Blue Gene/Q исследователи из IBM смоделировали только 4,5% нейронов и синапсов мозга человека. Исследователи постепенно изучают работу мозга, разбивая его на маленькие части, что говорит о том, что все функции и возможности мозга не рассматриваются. Кроме того, составляя примерную оценку вычислительной мощности суперкомпьютеров, которые смогли бы обрабатывать всю информацию мозга, потребуется ни один компьютер Blue Gene, а тысячи таких компьютеров, которые территориально займут небольшой городок. Производством энергии для этих суперкомпьютеров занималась бы целая атомная станция, но при этом наш мозг обходится малым потреблением энергии, например, из пищи. Даже, если в ближайшее время ученым удастся создать физическую модель мозга, допустим, кошки и выстроить его функционирование и деятельность, кошка с таким мозгом не сможет поймать мышь. В таком мозге нет теменной доли, поэтому нет сенсорных и моторных связей с внешним миром, базовые связи не представляют мыслительные процессы кошки. В таком мозгу нет ни обратных связей, ни воспоминаний о выслеживании добычи или поиске партнера. Компьютеризированный мозг
чистый лист бумаги, лишенный всяких воспоминаний и инстинктов.
Одна из целей исследования мозга — возможность понять механизмы возникновения различных неврологических заболеваний и деменции. Миллиарды людей страдают от психических заболеваний, причина которых до сих пор неизвестна, неясно, что именно в мозге работает не так — какой путь, синапс или нейрон. Возможно, патологии вызваны не массовым разрушением нейронов, а их неверной коммутацией.
Одним из примеров такого нарушения может стать синдром Капгра, при котором вы видите женщину, узнаете в ней свою мать, но считаете, что эта женщина — самозванка. По мнению индийского невролога, психолога и доктора медицины В.С. Рамачандрана эта редкая болезнь может вызываться нарушением связи между двумя частями мозга. За узнавание лица матери отвечает веретенообразная извилина височной доли мозга, а за эмоциональную реакцию на это — мозжечковая миндалина. Если связь между этими отделами мозга нарушена, человек узнает свою мать, но, поскольку эмоциональной реакции на это не возникает, он убеждается, что это самозванка [1]. Кроме того, схема мозга помогла бы разрешить такие базовые, но до сих пор не проясненные вопросы, как принцип хранения долговременных воспоминаний. Известно, что определенные части мозга, такие как гиппокамп и мозжечковая миндалина, отвечают за хранение воспоминаний, но до сих пор не ясно, как эти воспоминания распределяются по разным участкам коры, а затем собираются воедино [2].
Актуальность. Исследование мозга является важнейшей задачей человечества не только для понимания биологических механизмов, наших мыслей, эмоций, сознания, - которые и делают нас людьми, но и по практическим соображениям. Понимание мыслительных процессов мозга и сознания человека даст возможность создавать кардинально другие, мощнейшие вычислительные системы, ставя под сомнение привычное технологическое мироустройство. Исследование мозга так же необходимо для понимания, диагностики и лечения заболеваний, что является глобальной проблемой в современном мире. Ответы на вопросы о деятельности мозга исчерпают потребность проводить эксперименты на животных, что приведет человечество к новому культурному развитию.
В мировом сообществе существуют несколько ведущих проектов, занимающихся разработкой программного обеспечения по моделированию мозга: Blue Brain Project, Human Brain Project, Human Connectome Project, Allen Human Brain Atlas, Watson (IBM), DARPA SyNAPSE. Проекты направлены, в основном, на использование нейроморфных вычислений - применяя искусственные нейронные сети в комбинации со специализированными чипами, архитектура которых напоминает структуру мозга и является аппаратной поддержкой нейронных сетей, а также на реализацию механизмов нейро-физико-химического взаимодействия нейронов между собой и окружающей средой. Это основа, которая может дать ответы на фундаментальные вопросы о работе самих нейронов, - передачи информации через нервные импульсы от нейрона к нейрону благодаря различным конфигурациям нейронов и синапсов. Однако, так как человеческий мозг содержит 86 миллиардов нейронов, каждый из которых имеет в среднем 1750 связей с другими нейронами, текущей мощности суперкомпьютеров недостаточно для моделирования всего человеческого мозга [3].
Исследования в области мозга приобретают глобальные масштабы, вышеописанные проекты пытаются ответить на вопросы, которые во многом определяют нас: как работает наш мозг, сознание, в чем причины психических расстройств и нейродегенеративных заболеваний. Сейчас подобные исследования - крупные наднациональные проекты, но для их успешной реализации необходима эффективная инфраструктура (банки образцов, масштабные производства средств для научных исследований и т. п.), огромная вычислительная мощность, которую исследовательские группы наращивают до допустимого уровня.
Решение, описанное в данной работе, предполагает комбинацию нескольких архитектур, учитывающих функциональную асимметрию головного мозга: «правое полушарие», основанное на деятельности нейронных сетей, на базе специально созданного для задач искусственного интеллекта процессора Power9 и «левое полушарие» с мощной аналитической составляющей из GPU NVIDIA Tesla P100. Данная конструкция является сбалансированной по производительности, а также скорости передачи данных благодаря сети InfiniBand QDR RDMA, что является крайне важным в условиях моделирования головного мозга, ибо дисбаланс в человеческом мозге - это и есть деменция (психическое/когнитивное заболевание), поэтому важно не выстроить «машину шизофреника». Подход, моделирующий мышление, выбран по причине нарастающей проблемы для решения большого количества задач, где быстродействия стандартных алгоритмов не хватает.
Отличительной особенностью данного проекта СПбГУ является сотрудничество с Национальным медицинским исследовательским центром психиатрии и неврологии имени В.М. Бехтерева, на данных которого планируется обучать систему (данные МРТ у пациентов в норме, патологии и др., которые необходимо классифицировать, кластеризовать и привести к обучающим случаям). Помимо медицинской сферы (диагностика когнитивных заболеваний на ранних стадиях) систему, построенную по принципам человеческого мышления, можно будет использовать в совершенно разных областях: финансы, промышленность, анализ данных, маркетинг, энергетика и др. Кроме того, многие сферы коммерческой деятельности сталкиваются с проблемой решения задач в режиме реального времени, в данном случае важным моментом является высокая производительность системы, которую возможно нарастить по мере усложнения решаемых задач. Подход на основе комбинации аналоговых и цифровых систем, наподобие человеческого мозга, выглядит перспективным.
Решение, описанное в данной работе, предполагает комбинацию нескольких архитектур, учитывающих функциональную асимметрию головного мозга: «правое полушарие», основанное на деятельности нейронных сетей, на базе специально созданного для задач искусственного интеллекта процессора Power9 и «левое полушарие» с мощной аналитической составляющей из GPU NVIDIA Tesla P100. Данная конструкция является сбалансированной по производительности, а также скорости передачи данных благодаря сети InfiniBand QDR RDMA, что является крайне важным в условиях моделирования головного мозга, ибо дисбаланс в человеческом мозге - это и есть деменция (психическое/когнитивное заболевание), поэтому важно не выстроить «машину шизофреника». Подход, моделирующий мышление, выбран по причине нарастающей проблемы для решения большого количества задач, где быстродействия стандартных алгоритмов не хватает.
Отличительной особенностью данного проекта СПбГУ является сотрудничество с Национальным медицинским исследовательским центром психиатрии и неврологии имени В.М. Бехтерева, на данных которого планируется обучать систему (данные МРТ у пациентов в норме, патологии и др., которые необходимо классифицировать, кластеризовать и привести к обучающим случаям). Помимо медицинской сферы (диагностика когнитивных заболеваний на ранних стадиях) систему, построенную по принципам человеческого мышления, можно будет использовать в совершенно разных областях: финансы, промышленность, анализ данных, маркетинг, энергетика и др. Кроме того, многие сферы коммерческой деятельности сталкиваются с проблемой решения задач в режиме реального времени, в данном случае важным моментом является высокая производительность системы, которую возможно нарастить по мере усложнения решаемых задач. Подход на основе комбинации аналоговых и цифровых систем, наподобие человеческого мозга, выглядит перспективным.