Моделирование стало возможным благодаря разработке новых передовых структур данных для программного обеспечения моделирования NEST. Актуальность достижения для нейробиологии заключается в том, что NEST — это программное обеспечение с открытым исходным кодом, свободно доступное каждому ученому в мире.
Используя NEST, команде, возглавляемой Маркусом Дисманном в сотрудничестве с Эбигейл Моррисон, которая сейчас работает с Институтом нейробиологии и медицины в Джулихе, удалось смоделировать сеть, состоящую из 1,73 миллиарда нервных клеток, соединенных 10,4 триллионами синапсов. Чтобы осуществить этот подвиг, программа задействовала 82944 процессора K Computer. Процесс занял 40 минут, чтобы завершить симуляцию 1 секунды активности нейронной сети в реальном, биологическом времени.Хотя смоделированная сеть огромна, она представляет только 1% нейронной сети мозга.
Нервные клетки были соединены случайным образом, и сама симуляция не должна была дать новое представление о мозге — цель попытки заключалась в том, чтобы проверить пределы технологии симуляции, разработанной в проекте, и возможностей К. В процессе, исследователи накопили бесценный опыт, который поможет им при создании нового программного обеспечения для моделирования.Это достижение дает нейробиологам представление о том, что станет возможным в будущем с компьютерами следующего поколения, так называемыми компьютерами экстемасштабного типа.«Если компьютеры с пета-шкалой, такие как K Computer, способны представлять 1% сети человеческого мозга сегодня, то мы знаем, что моделирование всего мозга на уровне отдельной нервной клетки и ее синапсов будет возможно с высокой точностью. Мы надеемся, что масштабируемые компьютеры будут доступны в течение следующего десятилетия », — объясняет Дисманн.
Память 250.000 ПК
Моделирование большой нейронной сети и такого процесса, как обучение, требует большого количества вычислительной памяти. Синапсы, структуры на стыке двух нейронов, постоянно модифицируются взаимодействием нейронов, и симуляторы должны учитывать эти модификации.
Более важным, чем количество нейронов в моделируемой сети, является тот факт, что во время моделирования каждому синапсу между возбуждающими нейронами было предоставлено 24 байта памяти. Это позволило получить точное математическое описание сети.
Всего симулятор скоординировал использование около 1 петабайта основной памяти, что соответствует совокупной памяти 250 000 ПК.ГНЕЗДОNEST — это широко используемое универсальное программное обеспечение для моделирования нейронных сетей, доступное сообществу в виде открытого исходного кода. Команда добилась того, чтобы их оптимизации носили общий характер, не зависящий от конкретного оборудования или нейробиологических проблем.
Это позволит нейробиологам использовать программное обеспечение для исследования нейронных систем с использованием обычных ноутбуков, компьютерных кластеров или, для самых больших систем, суперкомпьютеров, и легко обмениваться описаниями своих моделей.
Работа по оптимизации NEST для компьютера K началась в 2009 году, когда суперкомпьютер еще строился. Шин Исии, в то время руководитель исследовательских проектов по изучению мозга на K, объясняет, что «иметь доступ к установленным суперкомпьютерам в Julich, JUGENE и JUQUEEN было необходимо для подготовки к K и перекрестной проверки результатов».
Мицухиса Сато из передового института компьютерных наук RIKEN отмечает, что «в этом проекте принимали участие многие исследователи из разных японских и европейских институтов, но посвящение Дзюна Игараси сейчас в OIST, а Ген Масумото сейчас в продвинутом центре RIKEN. Сюзанна Кункель и Мориц Хелиас, работающие сейчас в Forschungszentrum Julich, в области вычислительной техники и коммуникаций сыграли ключевую роль в успехе этого начинания ».Прокладывая путь для будущих проектов
Кенджи Дойя из OIST, в настоящее время возглавляющий проект, направленный на изучение нейронного контроля движений и механизма болезни Паркинсона, говорит: «Новый результат открывает путь для комбинированного моделирования мозга и опорно-двигательного аппарата с помощью компьютера К. Эти результаты демонстрируют что нейробиология может в полной мере использовать существующие суперкомпьютеры в пета-масштабе ".Достижение K предоставляет новую технологию для исследования мозга в Японии и обнадеживает для проекта Human Brain Project (HBP) Европейского Союза, начало которого запланировано на октябрь этого года.
Центральный суперкомпьютер для этого проекта будет базироваться в Forschungszentrum Julich.Исследователи из Японии и Германии планируют продолжить успешное сотрудничество в наступающей эре систем exa-scale.
