神经科学新突破！新算法助力超算进行人类大脑模拟

人脑是一个使人难以置信的复杂器官，由100亿个相互关联的神经细胞组成。即便在最强大的超级计算机帮助下，目前也不可能在这种尺寸的网络中模拟神经元信号的交换。

不过，近日，一个国际研究小组已在实现E级超级计算机上模拟大脑网络迈出了决定性的一步，该项研究容许使用相同数量的计算机内存来表明人脑中较大的部分，新算法显著加速了现有超级计算机上的大脑模拟效果。这项研究发表在Frontiers in Neuroinformatics上。

“自2014年以来，咱们的软件能够模拟人脑中大约百分之一的神经元之间的联系”德国于利希神经科学和医学研究所（INM-6）主任Markus Diesmann说。为了实现这一壮举，该软件运行须要千兆超级计算机，例如神户的K计算机和于利希的超级计算机JUQUEEN。

Diesmann研究模拟软件NEST已经20多年。NEST是一个免费、开源模拟代码，被神经科学界普遍使用，同时也是欧洲类脑计划的核心模拟器。而Diesmann本人在欧洲类脑计划中领导理论神经科学和高性能分析与计算平台领域的项目。

使用NEST，网络中每一个神经元的行为都由一些数学方程来表示。将来的E级计算机，好比计划在神户建设的Post-K计算机和于利希建设的JUWELS计算机，它们的性能将超过当今高端超级计算机10到100倍。而这将是研究人员第一次拥有模拟人类大脑这样大规模神经网络的计算机能力。

看起来是死路一条：模拟人脑规模，处理器的内存要比超级计算机大100倍

尽管目前的仿真技术使研究人员有能力开始研究大型神经网络，但它也表明了E级技术发展的终点。目前的超级计算机由大约10万台称为节点的小型计算机组成，每台计算机都配备了多个进行实际计算的处理器。

“在进行神经元网络模拟以前，须要虚拟地建立神经元及其之间的链接，这意味着它们须要在节点的存储器中实例化。在模拟过程当中，神经元不知道其目标神经元在哪个节点。所以，它的短电脉冲须要发送给全部节点，而后每一个节点再检查这些电脉冲中的哪个与该节点上存在的虚拟神经元相关。”斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的Susanne Kunkel解释说

对于现阶段来讲，这种网络建立的算法是有效的，由于全部节点同时构建其网络的特定部分。可是，将全部电脉冲发送到全部节点并不适合在E级系统上进行仿真。

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“为了有效地检查每一个电脉冲的相关性，须要整个网络中每一个神经元的每一个处理器都有一个信息位。对于一个有10亿个神经元的网络来讲，每一个节点的大部份内存都将被神经元的这一个信息位所消耗。”Diesmann补充到。

使用千万亿次超级计算机（左下），之前的模拟技术能够模拟人脑中大约1％的神经细胞（神经元）（图片左侧大脑暗红色区域）。尽管下一代超级计算机的性能超过当今超级计算机的性能10到100倍，应用之前的模拟技术在大脑的模拟上也只能有很小的进展（图片中间大脑暗红色区域）。使用相同数量的计算机内存（右下角），能够用该研究提出的新技术模拟人类大脑的更多部分。咱们大脑的10%约等于整个大脑皮层的大小（图片右侧大脑的深红色区域），高达140亿个神经细胞，这是更高级的处理必不可少的。另外一部分神经元位于小脑（蓝色部分）。图片来自Forschungszentrum Jülich

这就是模拟更大网络时遇到的主要问题：每一个处理器所需的计算机内存量随着神经元网络的增大而增长。若是要模拟人脑的规模，这就要求每一个处理器的可用内存比如今的超级计算机大100倍。可是，这在下一代超级计算机中并不太可能出现，下一代计算机中每一个计算节点的处理器数量或许会增长，但每一个处理器的内存和计算节点的数量将保持不变。