Нейрокомпьютеры

Мультипроцессорный вычислительный комплекс с раздельной памятью

Такого рода ВК строятся на основе элементарных машин (ЭМ), объединяемых в ВК посредством коммуникационной сети (КС). Каждая ЭМ состоит из ЦП и ОП, т.к. каждый процессор имеет свою собственную память, отсюда название – ВК с разделенной ОП. Поскольку ВК состоит из достаточно автономных ЭМ, эту структуру можно считать и многомашинным ВК.

Обмен информацией между ЭМ ВК осуществляется в виде сообщений, пересылаемых по КС от ЭМ – источника к ЭМ – приемнику. Синхронизация вычислительных процессов в ЭМ ВК осуществляется также посредством посылки сообщений между ними.

ЭМ в настоящее время реализуются на базе т.н. транспьютеров. Транспьютер (ТП) – это специальный микропроцессор, снабженный средствами связи с другими ЭМ: TRANSmission + comPUTER. Разработан фирмой Inmos (Англия) в 1979 г. На рисунке 3.17 приведена структура ТП типа Т800 (1989 г.)

Здесь: ЦП – 32-разрядный процессор, ОЗУ емкостью 4 КВ, АЛУ – с плавающей запятой, разрядность – 64 бита, ИВП – интерфейс внешней (дополнительной, общей) памяти, пропускная способность 40 МВ/с, КС – четыре последовательных дуплексных канала связи с пропускной способностью 10 МВ/с каждый, Т – таймеры, УК – блок управления каналами КС, ОШ – внутренний интерфейс с пропускной способностью 40 МВ/с.

Отличительные особенности Т800: наличие четырех КС, работающих в дуплексном режиме; RISC – команды, каждая из которых длиной 8 бит, старшие 4 бита – код операции, младшие – непосредственный операнд; стековые операции. Производительность Т800: 15 MIPS и 3.3 MFLOPS.

Транспьютер как ЭМ принято изображать в виде, представленном на рисунке 3.18.

Для построения МП ВК кроме ТП необходимы и другие элементы: адаптеры последовательного канала, коммутаторы, сигнальные процессоры, контроллеры ПУ (например, НМД) и другие микросхемы.

Идея, которая положена в основу построения ТП – язык Оккам (ОССАМ). Постулат (”бритва”) Оккама (философ, который жил в средние века) выглядит следующим образом: понятия и утверждения не должны усложняться без необходимости. Язык Оккам позволяет описывать систему как ряд параллельных процессов, взаимодействие между которыми осуществляется путем передачи сообщений (по каналам связи).

На базе ЭМ (типа ТП) можно строить ВК различной конфигурации (топологии): кольцевую (рисунок 3.19,а), в виде двумерной решетки (матричную – рисунок 3.19,б), в виде дерева (рисунок 3.19,в), в виде гиперкуба (рисунок 3.19,г).

Одна структура от другой отличается коммутационным диаметром – расстоянием между наиболее удаленными ЭМ в структуре ВК, которым в случае необходимости должно проходить сообщение от одной ЭМ к другой ЭМ (через промежуточные узлы как ретрансляторы сообщения).

В структуре типа «кольцо» коммуникационный диаметр КД = N/2, в двумерной решетке КД=2(ÖN-1),т. е. меньше, чем в кольце. Пример транспьютерного ВК – система CS фирмы Мейко (рисунок 3.20).

Особенности системы CS: ведущий модуль построен на одном ТП и имеет ОП емкостью 3 МВ; модули обработки МО построены на базе четырех ТП и имеют ОП емкостью 8 МВ. Производительность одного МО – 80 MFLOPS, N – от 1 и выше; М - супервизорная магистраль.

Области применения МПВК – обработка изображений, распознавание образов, моделирование систем, искусственный интеллект.

Принципы обработки информации в современных ЭВМ (ВК) и принципы функционирования мозга человека существенно различаются. Мозг человека работает на основе параллельной обработки информации в нейронных сетях. ВК, построенные на основе принципов параллельной обработки информации в распределенных (искусственных) нейронных сетях, называют нейрокомпьютерами.

Построение нейрокомпьютеров (НК) базируется на использовании идеи имитации поведения клеток головного мозга – нейронов. Идея впервые была предложена в 1949 году. Ее суть: построить ЭВМ в виде нейронной сети, которая путем обучения настраивается на решение различных конкретных задач.

В общем случае модель нейронной сети состоит (строится) из множества формализованных нейронов, между которыми устанавливаются синаптические связи. Изменение состояния нейрона сети происходит по суммарному возбуждению, происходящему по синаптическим связям от других нейронов сети.

Базовым элементом искусственных нейронных сетей является искусственный нейрон – т.н. линейный пороговый элемент ЛПЭ (рисунок 3.21).

Поведение ЛПЭ описывается выражением

где x_i - входные сигналы, W_i- весовые коэффициенты, f – пороговая функция, означающая, что выход у ЛПЭ определяется взвешенной суммой входных сигналов. Виды пороговых функций представлены на рисунке 3.22.

Из ЛПЭ организуются, например, линейные матрицы, называемые слоями или уровнями сети. На рисунке 3.23 приведен пример трехуровневой сети. Это сеть с прямыми связями от входов к выходам.

Больше возможностей у сетей с обратными связями, от последующих уровней к предшествующим. Такие сети позволяют обнаруживать и запоминать образцы (образы), подаваемые на вход сети, без программирования сети. Такого рода сети способны обучаться. Обучение происходит путем сравнения входных образцов с хранящимися в сети и, если это новый образец, то производится его запоминание и т. д. В процессе сравнения формируются новые весовые коэффициенты и осуществляется самообучение.

Таким образом, нейронная сеть сама себя программирует на основе подаваемой на ее вход информации. Области применения нейронных сетей – решение сложных задач искусственного интеллекта, в частности, зрительных, слуховых и т. п. Нейронная сеть рассматривается как альтернатива алгоритмическому программированию, т.е. как альтернатива фон неймановским ЭВМ.

Реализовать нейронные сети можно на основе транспьютеров путем их соответствующего программирования (настройки) на работу в качестве ЛПЭ. Однако человеческий мозг представляет «аналоговую» ЭВМ, поэтому нейронную сеть лучше строить на базе аналоговых БИС – специализированных БИС, нейрочипов. При таком подходе для построения ЛПЭ потребуется только один многовходовой транзистор, роль весовых коэффициентов в котором могут выполнять резисторные матрицы.

Дата добавления: 2014-01-11