基于超級計算機的大規(guī)模腦神經(jīng)網(wǎng)絡的仿真技術研究.pdf

1、近年來，腦科學研究成為了先進國家的重點研究領域，歐盟、美國、日本等國家相繼提出各自的腦計劃。研究人腦機理不僅能夠加深對人腦的認識，由此促進腦疾病的治療技術的發(fā)展，并且會對信息技術產(chǎn)生革命性影響，帶來巨大的社會經(jīng)濟效益。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前最快的超級計算機 TH-2計算峰值已經(jīng)達到了55Mflops。世界有關國家正在研制Eflops規(guī)模的超級計算機，正面臨著許多重大技術挑戰(zhàn)，如系統(tǒng)結構、功耗、可靠性、編程模式等。腦科學的研究對解決上述問

2、題有重要的啟發(fā)和推動作用，IBM的神經(jīng)計算芯片為研制借鑒腦功能的超級計算機帶來了一線曙光。
　　大腦主要由神經(jīng)元和突觸構成，實現(xiàn)功能的機理復雜多樣，從計算角度看，它們都是通過神經(jīng)元構成的腦神經(jīng)網(wǎng)絡活動來實現(xiàn)的。此外，大規(guī)模腦神經(jīng)網(wǎng)絡計算特性與當前的超級計算機具有并行、分布、多層次等共同特點，因此可以通過用超級計算機仿真腦神經(jīng)網(wǎng)絡來實現(xiàn)對大腦功能的深入研究。大腦由大約百億神經(jīng)元、百萬億突觸連接構成，而當前腦神經(jīng)網(wǎng)絡的仿真規(guī)模一般只有

3、105個神經(jīng)元，而一般區(qū)域性連接都至少需要106個神經(jīng)元量級的神經(jīng)網(wǎng)絡。
　　本課題從信息科學角度研究腦功能出發(fā)，主要是研究神經(jīng)網(wǎng)絡模型以及神經(jīng)網(wǎng)絡仿真技術。本文在超級計算機TH-1A上部署了神經(jīng)網(wǎng)絡仿真軟件NEST，以神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡為基本點，結合TH-1A的計算優(yōu)勢進行了腦神經(jīng)網(wǎng)絡仿真的相關研究，主要完成了如下工作：
　?。?）分析腦神經(jīng)網(wǎng)絡基本結構，研究神經(jīng)元模型、突觸模型、神經(jīng)網(wǎng)絡模型，并從中選取適合進行大規(guī)模仿真的

4、模型。
　?。?）在TH-1A上部署腦神經(jīng)網(wǎng)絡仿真平臺NEST，使用NEST在TH-1A上構建大規(guī)模腦神經(jīng)網(wǎng)絡，利用分析工具對用 NEST構建的神經(jīng)網(wǎng)絡進行了內存占用和可擴展性分析。
　?。?）研究提高NEST仿真效率的方法，減少神經(jīng)元、突觸數(shù)據(jù)結構冗余，提高神經(jīng)網(wǎng)絡的連接效率，實現(xiàn)大規(guī)模腦神經(jīng)網(wǎng)絡在超級計算機上的高效運行，從而提高NEST的腦神經(jīng)網(wǎng)絡仿真性能，擴大神經(jīng)網(wǎng)絡仿真規(guī)模。
　?。?）構建1mm3哺乳動物全尺