Blue Brain čili Mozek v počítači

Ilustrace

Budeme někdy umět simulovat činnost lidského mozku? Projekt Blue Brain je teprve na počátku, mezi lety 2010 - 2015 snad zvládne mozek krysy či kočky.

Lidské civilizaci se v oblasti elektroniky a počítačů velmi daří. Za posledních 30 let se výkony i těch nejrychlejších počítačů zvýšily zhruba milionkrát. V posledních 44 letech platí tzv. Moorův zákon, který v podstatě znamená, že výkony procesorů či na jejich bázi vytvářených komponent se každých 18 měsíců zhruba zdvojnásobují. Není tedy divu, že si vědci s pomocí dnešních výkonných superpočítačů troufají i na tak velmi náročný a složitý úkol, jakým je pokus věrně napodobit či simulovat děje v lidském mozku či mozku zvířete.

Počítač versus mozek

Lidský mozek je asi nejsložitější strukturou v nám známém vesmíru a jeho celkový hrubý "výpočetní" výkon je ohromující. (Pro vědomé počítání či racionální uvažování však používáme jen nepatrný zlomek této kapacity, velkou část činnosti mozku tvoří regulace vegetativních činností v těle.) Přitom si musíme uvědomit, že mozek je hmotným, tedy v podstatě spojitě-analogovým systémem plnícím zcela určité funkce, zatímco naše dnešní počítače jsou většinou digitální univerzální stroje a provádějí abstraktní operace. Takže výkon mozku nelze zcela jednoduše odhadnout a přesně porovnat s počítačem. Simulátor mozku by asi navíc měl být ještě o něco výkonnější než simulovaný systém.

IBM Blue Gene/L Supercomputer

Jak měříme výkon počítačů?

Výkon počítačů, přesněji jejich procesorů, které operují s desetinnými čísly, se často měří v násobcích jednotky zvané FLOP či FLOPS (elementární operace s pohyblivou desetinnou řádkou za sekundu - FLoating point Operation(s) Per Second) a v praxi se setkáme nejčastěji s výkony v řádech GigaFLOPS (10^9), TeraFLOPS (10^12) či PetaFLOPS (10^15)). Osobní počítače, které máme doma, mají dnes výkon někde mezi 5 až 30 GigaFLOPS (GFLOPS), dva nejvýkonnější superpočítače dneška - speciální IBM Roadrunner a příslušník řady Cray XT5 s přezdívkou Jaguár - se pyšní "laťkou" těsně pod 1.1 PetaFLOPS. Nejsilnější současný příslušník superpočítačové stavebnice BlueGene od IBM má výkon zhruba poloviční - 478 TeraFLOPS. (Zde najdete aktualizovaný seznam nejvýkonnějších počítačů současnosti.) Pokud jde o "výpočetní výkon" lidského mozku, bývá odhadován různě - od ekvivalentu 100 TeraFLOPS (uvádí Hans Moravec) do 100 PetaFLOPS (uvádí Nick Bostrom).

Jaguár je sice pouze druhý nevýkonnější počítač světa, ale první v oblasti vědeckých výpočtů. Bude se věnovat pouze jim.

Projekt Blue Brain

V několika příštích letech bude právě na stavebnicovém systému IBM Bluegene dále rozvíjen významný švýcarský projekt Blue Brain, jehož cílem je nejdříve v základních rysech simulovat procesy v lidském mozku. 8000 procesorů v první fázi (v letech 2006-7) představovalo přibližně 10.000 "modelových" neuronů mozkové kůry krysy a na počátku instalovaný výkon činil 22.8 TeraFLOPS, což v praxi odpovídá spíše menší části mozku savce. V současné době probíhá zpracování a vyhodnocení této fáze.

Potřebný výkon pro realistické modelování celého mozku krysy resp. kočky přitom odpovídá veličině kolem 1 resp. 10 PetaFLOPS (1015 resp. 1016 FLOPS), takový výkon může být dostupný někdy mezi r. 2010-2015. Postupně má projekt směřovat i k tzv. uploadu lidského vědomí, tj. k mapování a ukládání co nejpřesnějšího stavu reálného lidského mozku do počítače včetně 3D struktury a až do úrovně jednotlivých molekul. Zde bude ale třeba disponovat výkonem ještě 100 až 1000x vyšším, což si dnes ještě asi neumíme představit (řádově kolem 10^18 FLOPS, tedy 1 ExaFLOPS). Takový potenciál může být k dispozici kolem r. 2020-2025. Vše bude ještě náročnější, pokud budeme chtít detailně simulovat funkce mozku přímo v reálném čase. Vizionář Nick Bostrom zde předpokládá nutnost disponovat výkonem až kolem 2x10^19 FLOPS.

IBM Blue Gene/L Supercomputer

Bezprostředním účelem projektu je dnes ale rámcově simulovat základní rysy kognitivních procesů a psychiatrických poruch. Toto "reverzní inženýrství mozku" bude mít asi ještě dlouho omezený význam, a je ho třeba proto zatím chápat spíš jako základní analýzu. Různé simulace neuronových sítí probíhají i na jiných strojích.

Dalším slibným počinem pro simulace mozku může být teprve loni sestrojená elektronická součástka memristor. Memristorové obvody se mohou stát v budoucnu velmi účinným prostředkem pro analogovou simulaci soustav nervových synapsí a možná i celého mozku.

Související články: Green500 - nejúspornější superpočítače