Prozessor imitiert Gehirn

IBM hat die erste Generation eines Computerprozessors vorgestellt, der wie ein Gehirn arbeitet. Aktuell verfügt der Chip über die Fähigkeiten zur Mustererkennung, Bildverarbeitung, Klassifikation und assoziativen Speicherung.

Zukünftig soll er mit Sinneserfassung ausgestattet werden und in verschiedenen Bereichen einsetzbar sein – von der Finanzmarktanalyse bis zur Frischekontrolle im Supermarkt. Die neue Architektur merzt dabei auch Probleme der klassischen von-Neumann-Bauweise aus, die den Prozessorenentwicklern zunehmend zu schaffen machen.

Klein und sparsam

„Es ist der erste kognitive Prozessorkern, der das Rechnen über Neuronen, Speicher in der Form von Synapsen und Kommunikation über Axome vereint“, sagt Entwicklungsleiter Dharmendra Modha gegenüber CNET. Geforscht wird im Rahmen des „Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics“ (SyNAPSE) der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

Ziel ist es, ein System zu schaffen, welches nicht nur komplexe Informationen über verschiedene Sensoren erfassen und analysieren kann, sondern sich selbst über die Interaktion mit der Umwelt immer wieder neu programmiert. Dabei gilt es, das System – vergleichbar einem organischen Gehirn – möglichst kompakt und energieeffizient zu gestalten.

Vielseitige Rechenmeister

Ausgestattet ist der Erstling mit 256 Neuronen, 262.144 programmierbaren Synapsen und 65.536 Schaltstellen für Lernprozesse. Alle Komponenten sind non-organisch, lehnen sich aber in ihrer Bauweise stark am Vorbild aus der Natur an. Angestrebt wird die Entwicklung eines Prozessors mit der Kapazität eines Säugetierhirns, dessen Strukur jedoch um mehr als das Millionenfache komplexer ist. An der Forschung beteiligen sich neben sechs Labors von IBM auch fünf Universitäten.

Modha kann sich zukünftig verschiedenste Anwendungsbereiche für die intelligenten Chips vorstellen. So wären damit theoretisch extrem präzise Finanzmarktanalysen möglich als auch die Überwachung der weltweiten Wasserbewegungen, inklusive rechtzeitiger Warnungen vor Tsunamis. Im Alltag könnten die Chips den Angestellten von Supermärkten behilflich sein, Ware auszusortieren, die schlecht geworden ist.

Dies ist möglich, weil sie mit der Fähigkeit zu Sinnesempfindungen ausgestattet werden können, so der Wissenschafter. Während sie visuelle, geruchliche und haptische Inputs verarbeiten, sind sie in der Lage, in verschiedenen Betriebsmodi auf einmal zu arbeiten und bei einer geringen Größe mit weniger als 20 Watt an Energiezufuhr auskommen. Wann erste kommerzielle Anwendungen für die neuen Chips verfügbar sind, steht noch in den Sternen.

Paradigmenwechsel

Modha hofft, ein neues Paradigma im Bereich des Computerwesens einführen zu können. Zwar sieht man bei IBM das neue Design als Ergänzung zur herkömmlichen Computertechnik, jedoch umgeht das Prozessorsystem Probleme der seit Jahrzehnten gängigen Rechnerbauweise – auch bekannt als von-Neumann- oder Princeton-Architektur. Diese ist aufgrund ihres streng sequenziellen Verfahrens zwar kaum fehleranfällig und programmiertechnisch vorteilhaft, lässt aber nur einzelne, aufeinanderfolgende Befehlsabarbeitung zu.

Zusätzlich muss die Verbindung (Bus) zwischen CPU und Speicher sowohl den Daten- als auch den Befehlsfluss bewältigen, und wird damit immer mehr zum Flaschenhals. Dieser wirkt sich unter anderem negativ auf die Entwicklung schnellerer Speichermodule aus, deren Latenzzeiten nicht mit dem Voranschreiten der Prozessor-Taktfrequenzen mithalten können, schreibt der Chiphersteller Intel in einem Whitepaper aus dem Jahre 2005.

Von diesem Umstand soll die neue Technologie nicht betroffen sein, da sie den Speicher in den Prozessor integriert und ereignisbasierte, dezentrale und parallele Verarbeitung von Inputs beherrscht.

Intel-Whitepaper „Platform 2015 Documentation“: http://epic.hpi.uni-potsdam.de/pub/Home/TrendsAndConceptsII2010/HW_Trends_borkar_2015.pdf