Siêu máy tính 1 triệu nhân có thể mô phỏng não của… 1 con chuột

Các nhà khoa học tại Anh vừa cho ra mắt “bộ não” được coi là lớn nhất thế giới – một siêu máy tính với một triệu vi xử lý và 1.200 bảng mạch nối với nhau để hoạt động như não người.

Sau 12 năm làm việc, các nhà nghiên cứu tại Đại học Manchester ở Anh đã hoàn tất việc chế tạo ra một siêu máy tính có tên “SpiNNaker” (viết tắt của Spiking Neural Network Architecture, tạm dịch là: Cấu trúc mạng lưới thần kinh mũi nhọn). Nó có thể mô phỏng các hoạt động bên trong não bộ với quy mô lên tới hàng tỷ tế bào thần kinh thông qua 1 triệu bộ vi xử lý.

Não người chứa khoảng 100 tỷ tế bào thần kinh, truyền tín hiệu thông qua hàng trăm nghìn tỷ khớp thần kinh (synapse). Để có thể mô phỏng được con số đáng kinh ngạc nêu trên, chúng ta cần phải có bước đột phá vượt qua khả năng xử lý đơn giản như trước kia, nói cách khác, điều này đang khiến thế giới phải suy nghĩ lại về cấu trúc các máy tính thông thường.

>> Máy tính lượng tử là gì và vì sao nó có khả năng tính toán siêu đẳng?

“Các tế bào thần kinh trong não thường tiếp nhận hàng nghìn thông tin, một vài tế bào có thể tiếp nhận tới 250 triệu,” Giáo sư Stephen Furber, người đã phát hiện và điều hành dự án chế tạo SpiNNaker, nói với trang tin New Atlas.

“Vấn đề nằm ở việc truyền tin, chứ không phải là tính toán. Các máy tính hiệu suất cao rất giỏi trong việc gửi đi nhanh chóng các khối dữ liệu lớn từ nơi này đến nơi khác, nhưng điều mà mô hình thần kinh cần là gửi đi các khối dữ liệu rất nhỏ (chỉ giống như một đầu gai) từ một điểm đến nhiều điểm khác – đây là một mô hình truyền đạt tương đối khác biệt.”

Các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề này bằng cách tạo ra một cấu trúc song song khá đồ sộ trong đó mỗi lõi vi mạch có thể gửi các “gói nhỏ” thông tin (chỉ với kích thước tối đa là 72 bit) được định tuyến tới các đích đến qua một mạng lưới truyền thông nội bộ.

Với cấu ​​trúc này, siêu máy tính có thể dễ dàng mô phỏng được 100 triệu tế bào thần kinh bên trong của não chuột. Để có thể tạo ra một mô hình não thích hợp, chúng ta cần phải tạo ra sự kết nối chính xác.

“Về nguyên tắc, để xây dựng một mô hình não chuột mà chúng ta cần, phải biết được tất cả các tế bào thần kinh và sự kết nối của nó với mọi tế bào thần kinh khác trong não,” ông Furber cho hay. “Trên thực tế, số lượng lớn dữ liệu này là không thể thu thập được, vì vậy, chúng tôi phải phân bố thống kê các loại tế bào thần kinh và dữ liệu kết nối thống kê, nhờ đó, chúng tôi có thể xây dựng mô hình não bộ theo phương pháp thống kê mô tả.

Hiện nay, các mô hình kiểu như thế này đã tồn tại, mặc dù chúng còn thể hiện ra nhiều điểm thiếu sót như thiếu độ chính xác – tương tự như những lần đầu vẽ bản đồ địa cầu khi mà nước Úc đã bị bỏ quên mất vì nó chưa được phát hiện ra.”

Bản đồ thần kinh “thật như cuộc sống” sẽ không xuất hiện trong tương lai gần. Các nhà nghiên cứu có thể xây dựng một mô hình siêu máy tính từ vùng vỏ thị giác của một con chuột, “cho nó xem” một hình ảnh mà sẽ được chuyển thành một dải các đầu gai xuống dây thần kinh thị giác. Qua đó chúng ta có thể tìm hiểu nhiều hơn về cách mà vỏ não xử lý tín hiệu đó, thậm chí sử dụng đầu ra thông tin để điều khiển chuyển động của một con chuột ảo hoặc robot vật lý.

Ông Furber cho biết, hệ thống này còn có nhiều tiềm năng để khám phá, ví như có thể biết được các chức năng cấp cao (như công việc học tập) bên trong não hoạt động như thế nào.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng hệ thống này để mô phỏng một vùng não gọi là Vùng hạch nền (Basal Ganglia), một khu vực bị ảnh hưởng bởi căn bệnh Parkinson. Công nghệ này có tiềm năng mang đến những tiến bộ trong lĩnh vực y tế, đặc biệt là đối với thử nghiệm dược phẩm, mặc dù các nhà nghiên cứu tin rằng nghiên cứu này phải mất hàng thập kỷ nữa mới có thể gây ra ảnh hưởng thật lên các bệnh nhân.

Ông Furber và các cộng sự của mình hiện đang chế tạo cỗ máy thế hệ thứ hai có tên là “SpiNNaker2”, sử dụng công nghệ silicon nâng cấp để truyền tải mật độ hoạt động và hiệu quả năng lượng gấp 10 lần. Điều này có thể dẫn đến việc tạo ra một mô hình não bộ côn trùng hoàn chỉnh trong một hệ thống nhỏ gọn đặt vừa trên một chiếc máy bay drone.