神經模擬重大突破，新演算法擁有全腦超級計算機模擬能力

新智元編譯

來源：kurzweilai.net

編譯：李陽帆

【新智元導讀】Jülich研究中心等的研究人員在模擬人類大腦神經連接方面取得重大突破，他們使用NEST開源神經模擬工具，擁有在超級計算機上模擬人類大腦的1000億個神經元的計算能力。

一個由國際科學家組成的團隊發明了一種演算法，代表著模擬人類大腦神經連接的研究向前邁進了重要的一步。這個新演算法是在Frontiers in Neuroinformatics中發表的一篇開放許可權獲取論文中描述的，目的是允許在超級計算機上模擬人類大腦的1000億個互連神經元。這項工作由Jülich研究中心、挪威生命科學大學、亞琛大學、RIKEN和KTH皇家理工學院的研究人員合作完成。

開源神經模擬工具

該演算法使用NEST *（「神經模擬工具」）開發，NEST是一個開放源碼模擬軟體，它被廣泛用於神經科學界並且是歐洲人類腦計劃的核心模擬器。研究人員在一份公告中解釋說，用NEST，網路中每個神經元的行為都由少量的數學方程表示。

根據Jülich神經科學和醫學研究所所長Markus Diesmann的說法，自2014年以來，運行於德國Jülich超級計算中心的RIKEN和JUQUEEN超級計算機上的petascale ** K超級計算機上的利用NEST進行的大規模神經網路模擬可以模擬人腦中約1％的神經元的連接。這些模擬使用了NEST演算法的先前版本。

為什麼超級計算機不能模擬整個大腦或者說為什麼尚且不能？ 斯德哥爾摩KTH皇家理工學院資深作家Susanne Kunkel解釋說：「在進行神經元網路模擬之前，神經元及其連接需要虛擬創建。」

在模擬過程中，首先需要將神經元的動作電位（短電脈衝）發送到所有約100,000個的稱為節點的小型計算機，每個計算機都配備有執行實際計算的多個處理器，然後每個節點檢查所有這些脈衝中的哪一個與存在於該節點上的虛擬神經元相關。

該過程需要整個網路中每個神經元的每個處理器有一位信息。對於十億個神經元的網路，每個節點的大部分內存被每個神經元的單個信息消耗掉。當然，每個神經元的這些額外位所需的每個處理器所需的計算機內存量隨著神經元網路的大小而增加。要超過1％並模擬整個人腦，需要每個處理器的可用內存比現在的超級計算機大100倍。

在目前的千兆級超級計算機上運行的腦模擬軟體只能代表大腦皮質中約1％的神經元連接（左圖的暗紅色區域）。 在下一代百億億級超級計算機中，模擬整個人腦 10％的神經元連接（中心）將成為可能，這超過當今高端超級計算機的性能10到100倍。然而，使用與當前超級計算機相同數量的計算機內存， 一種新的演算法可以在百億億級超級計算機上模擬100％人類大腦（全腦模擬）。

隨著內存消耗的控制，模擬速度將成為主要焦點。 例如，在Jülich的超級計算機JUQUEEN上運行的由5.8萬億突觸連接的5.2億神經元大型模擬需要28.5分鐘來計算一秒鐘的生物時間。研究人員計算，使用改進的演算法，時間將縮短到僅5.2分鐘。

Diesmann說：「百億億次計算速度的硬體和[即將推出的NEST]軟體的結合帶來了對大腦功能基本方面的研究，如可塑性和學習，在生物學時間的數分鐘內展開，將在我們的研究範圍之內。

研究人員發現，新演算法還將使目前可用的petascale超級計算機的模擬速度更快。

NEST模擬軟體更新

在Neural Simulation Technology Initiative的發布的下一個模擬軟體版本中，研究人員將免費向社區研究人員提供新的開源代碼。

這是第一次，研究人員將擁有模擬整個人類大腦規模的神經網路的計算能力。

沖繩縣科學技術研究所（OIST）的Kenji Doya可能是最早嘗試它的人之一。他說 「我們一直在K計算機上用NEST來模擬健康和帕金森病中基底節環路的複雜動力學。我們很高興聽到關於新一代NEST的消息，這將使我們能夠在後K計算機上運行全腦模擬，以闡明運動控制和心理功能的神經機制。」

注釋：

* NEST是針對神經網路模型的模擬器，專註於神經系統的動力學，大小和結構，而不是單個神經元的確切形態。NEST適用於任何規模的峰值神經元網路，如信息處理模型，如哺乳動物的視覺或聽覺皮層，網路活動動力學模型（如層狀皮質網路或平衡隨機網路）以及學習和可塑性模型。

** Petascale超級計算機的運行速度為每秒百萬億次浮點運算（每秒1015浮點運算）。未來的E級超級計算機將以每秒百億億次的速度（1018 flop / s）運行。目前最快的超級計算機是中國無錫國家超級計算中心的Sunway TaihuLight，運行速度達到每秒9千3 百萬億次。

***在Jülich，這項工作得到了模擬實驗室神經科學的支持，該實驗室是Jülich超級計算中心的伯恩斯坦網路計算神經科學設施。 部分資金來自歐盟第七框架計劃（Human Brain Project，HBP）和歐盟地平線2020研究與創新計劃，以及對後K計算機的探索性挑戰（了解思想的神經機制及其在人工智慧中的應用） 日本文部科學省（MEXT）。通過他們在日本和歐洲之間的聯合項目，研究人員希望為建立國際大腦倡議（IBI）做出貢獻。

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