Напечатать документ Послать нам письмо Сохранить документ Форумы сайта
АКАДЕМИЯ ТРИНИТАРИЗМА На главную страницу
«Конкурс Русских Инноваций» — 2003
«Виртуальный нейрокомпьютер для решения нечетко поставленных задач»

Созданием нейрокомпьютеров, нейрокомпьютерных систем и разработкой нейрочипов, как элементной базы для их изготовления, занимаются ведущие зарубежные и отечественные разработчики новейших информационных систем и компьютерной техники. Это такие фирмы как, например, Intel, IBM, Siemens за рубежом, НТЦ «МОДУЛЬ» и Научный Центр Нейрокомпьютеров (НЦН) в России и многие другие. Убедительной иллюстрацией актуальности проблем разработки и применения нейрокомпьютеров может служить обзор по более чем 300 открытым проектам, подготовленный НЦН: Галушкин А.И. «Нейрокомпьютеры в разработках военной техники США». Подробный обзор состояния разработок нейрокомпьютеров и нейрочипов в России и за рубежом имеется также в монографии Галушкина А.И. «Нейрокомпьютеры», М. ИПРЖР, 2000.
В последнее время разработчики нейрокомпьютерной техники, да и разработчики классических ЭВМ (например, фирма IBM), переходят на перспективную элементную и технологическую базу – созданию нейрочипов, нейропроцессоров, обычных процессоров и нейрокомпьютеров на основе Программируемых Логических Интегральных Схем (ПЛИС) высокой степени интеграции, высокой производительности с низким энергопотреблением фирмы Xilinx.
На «Конкурс Русских Инноваций» фирмой «Суперкомпьютерные системы» ( www.minitera.ru) совместно с НИЦ «Кристалл» Российского Агентства по Системам Управления (РАСУ) был представлен проект «Эмбрион», в котором предусматривается применение перспективной технологии фирмы Xilinx.
«ЭМБРИОН» — это виртуальный нейрокомпьютер для решения нечетко поставленных задач, который представляет собою легко перестраиваемую в процессе обучения искусственную нейронную сеть большой сложности (около 105 нейронов), выполненную аппаратно в виде нескольких сверхбольших интегральных схем (ПЛИС) — нейрочипов. Нейрокомпьютер «ЭМБРИОН» – это универсальный преобразователь информации и предназначен для решения широкого класса актуальных задач в различных областях человеческой деятельности: в обороне, в промышленности, в медицине, в сельском хозяйстве и других отраслях. Наиболее сложными и важными задачами, для решения которых предназначен нейрокомпьютер типа «ЭМБРИОН» являются:
  • автоматическое управление многоколесными многоосными транспортными средствами;
  • автоматическое управление многозвенными роботами, беспилотными летательными аппаратами и комплексами;
  • техническая и медицинская дефектоскопия и диагностика;
  • распознавание сигналов сложной формы и образов в реальном времени;
  • сжатие, обработка и распознавание изображений и звуков;
  • обеспечение информационной безопасности и др.
Автором и руководитель проекта является заместитель директора НИЦ «Кристалл» Российского Агентства по Системам Управления (РАСУ), к.т.н. Цыганков Владимир Дмитриевич.
Благодаря использованию в нейрокомпьютере типа «ЭМБРИОН» нового способа создания виртуальных нейронных сетей стало возможным даже при использовании существующей технологии эффективно решать перечисленных выше проблем при высоком значении показателя производительность/стоимость.
Новый способ создания виртуальных нейронных сетей апробирован при практическом решении следующих актуальных задач:
  • Техническая диагностика неисправностей генератора самолетной электростанции;
  • Управление нестационарным объектом (ракетой) в реальном масштабе времени;
  • Управление тактильно очувствленным (реагирующим на прикосновение) адаптивным серийным промышленным роботом «УНИВЕРСАЛ-5А» при обслуживании карусельной плавильной печи («ПОИСК-1»);
  • Управление тактильно очувствленным адаптивным промышленным роботом «Р-2» с искусственными мышцами при сборке и покраске («ПОИСК-2»);
  • Управление тактильно очувствленным мобильным автономным роботом «КРАБ-1» при взаимодействии с неориентированными предметами.
Наличие большого числа актуальных задач, потребность их решения в различных отраслях, т. е. наличие рынка сбыта нейрокомпьютеров и нейрокомпьютерных систем, делает необходимой и своевременной разработку и организацию серийного производства нейрокомпьютеров типа «ЭМБРИОН». Простота его аппаратной реализации, высокая технологичность изготовления, низкая себестоимость должны обеспечить гарантированное получение прибыли при серийном производстве.

Основная идея
Отличительной чертой предлагаемого проекта является перевод многообразия физических элементов аппаратуры, из которых обычно традиционно строятся нейроннные сети для нейрокомпьютеров, в виртуальное дискретное пространство – время – частота, в котором возникают и перестраиваются сложные вероятностные искусственные нейронные сети. Основа такого перевода — разработанный Цыганковым В.Д. «Способа создания самоорганизующихся виртуальных макроквантовых нейронных сетей». Как показали примеры практического построения и применения таких систем, существенный выигрыш: в себестоимости, повышении надежности, упрощении обслуживания, снижении весовых и габаритных характеристик, снижении потребления энергии, повышении скорости обработки информации и обучения, облегчении создания новых моделей и модификаций нейрокомпьютеров для решения неформальных задач.
Блок-схема виртуального нейрокомпьютера «ЭМБРИОН» (рис.1) представляет активную неоднородную, подобную по структуре и функциям живому мозгу архитектуру.

Увеличить >>>

рис. 1 Блок-схема виртуального нейрокомпьютера «ЭМБРИОН»
Виртуальная квантовая нейронная сеть создается в виде вероятностного поля — дискретного ветвящегося пространства-времени в виде микро и макро структуры, показанной на рисунках 2-4.

Рис. 2Общий вид вероятностной

волны поля

рис. 3 Квантовая нейронная сеть в трехразрядном нейрокомпьютере.

Увеличить >>>

рис.4 Квантовая виртуальная нейронная сеть в десятиразрядном нейрокомпьютере.

В нейрокомпьютере «ЭМБРИОН» реальные процессорные элементы – нейроны и связи между ними заменены их аналогами в виде виртуальных полевых объектов.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта «ЭМБРИОН» товарной продукцией будут:
  • набор многоразрядных (многоканальных) нейрочипов «ЭМБРИОН-10» - центральных нейронных процессоров (ЦНП) с 2,3,4,8,16-ти разрядами, выполненных в виде Программируемых Логических Интегральных Схем (ПЛИС) по технологии фирмы Xilinx. Назначением таких нейрочипов является создание процессорного ядра нейрокомпьютера (конструктивно нейрочипы можно размещать, например, на плате слота персонального компьютера или в корпусе обычной авторучки) Такие нейрочипы могут быть использованы для построения любых универсальных или специализированых виртуальных нейрокомпьютеров типа «ЭМБРИОН»;
  • универсальный виртуальный нейрокомпьютер для решения нечетко поставленных задач в различных областях человеческой деятельности, задач, для которых сложно или невозможно составить алгоритм для существующих компьютеров, недостаточно информации для строго логического их решения. Выполнены эти нейрокомпьютеры могут быть в виде слота, созданного на базе инструментальной платы типа XDSP-680A,B,C, в зависимости от разрядности информационной и вычислительной мощности нейрокомпьютера и сложности выбранной для решения неформальной задачи.
Вариант такого исполнение показан на рис. 5.

рис. 5 Вариант конструктивного исполнения нейрокомпьютера «ЭМБРИОН-10.1» на инструментальном модуле XDSP-680

Важно отметить задачи и прикладные области, в которых показана возможность применения виртуальных нейрокомпьютеров и в которых целесообразно их применять.
Перечень задач и прикладных областей, в которых показана возможность применения виртуальных нейрокомпьютеров:
  • моделирование в генетике,
  • микромеханика и нанотехнология,
  • моделирование в нейрофизиологии,
  • иридодиагностика,
  • психология и психиатрия,
  • квантовые нейрокомпьютеры и вычисления,
  • моделирование явлений в микромире,
  • нейрокомпьютерный лазер,
  • моделирование в космологии,
  • адаптивное управление дорожным уличным движением,
  • системы управления жилищно-коммунальным хозяйством (ЖКХ),
  • мобильные беспилотные адаптивные роботы с искусственным интеллектом и др.
Перечень задач и прикладных областей, в которых целесообразно применение виртуальных нейрокомпьютеров:
  • квантовые нейрокомпьютеры и квантовые супервычислители,
  • квантовая медицина. Нейрокомпьютерные приборы для диагностики и терапии,
  • нанотехнология. Нанороботы-сборщики,
  • малогабаритые, живучие, надежные бортовые системы автоматического управления нестационарными объектами,
  • управление многоэлементными ФАР (Фазируемыми Антенными Решетками),
  • мобильные роботы для недоступных и опасных мест,
  • интеллектуальные роботы-игрушки,
  • системы обеспечения безопасности,
  • управляемые генераторы многомерных дискретных сигналов, потоков и полей сложной конфигурации для научных исследований,
  • технические и медицинские средства диагностики,
  • системы обеспечения комфорта в быту и в доме,
  • роботы для инвалидов,
  • подводные роботизированные комплексы,
  • роботы для МЧС,
  • роботы-пожарники,
  • роботы-уборщики и мойщики окон,
  • супервычисления с использованием параллельных нейросетевых алгоритмов,
  • создание и производство наборов нейрочипов различного назначения с большим количеством нейронов в одном корпусе и др.
Примерами более узко и четко поставленных неформализуемых задач могут быть следующие задачи:
  • Дефектоскопия — обнаружение и идентификация включений, изъянов, трещин и других дефектов в турбинных лопатках авиационного газотурбинного двигателя по образу (цветам и формам) термотопограмм.
  • Автоматическое управление многоколесным шасси транспортного средства при движении по произвольной трассе в любых погодных условия.
Конкурентные преимущества
На международном и российском рынках нейрочипов и нейрокомпьютеров не известны прямые аналоги предлагаемому продукту в виде виртуальных нейрочипов на ПЛИС и виртуальных нейрокомпьютеров. Известны, например, зарубежные нейрочипы: нейрочип Intel80170NX Etann фирмы Intel, нейрочипы и аппаратно-программная платформа XNEURO -1.0 фирмы Xilinx, нейрочип NiSP фирмы Sundance Multiprocessor Technology, нейрочип NNC фирмы Accurate Automation и многие другие. Однако, их схемная реализация и функции не имеют ничего общего с предлагаемыми решениями.
Особо следует отметить, что стоимость нейрочипов и виртуальных нейрокомпьютеров «ЭМБРИОН-10.1» при серийном производстве будет ниже стоимости ПЛИС нейрочипов фирмы Xilinx при большей функциональной насыщенности кристалла.
Современные ПЛИС изготавливают по 0.22 микронной технологии, и работают они на тактовых частотах более 300 мегагерц. При этой технологии ПЛИС содержат в корпусе до 10 миллионов логических вентилей. В одном корпусе ПЛИС с интеграцией 40 тыс. вентилей по традиционной технологии можно разместить около 15-20 нейронов. Стоит такой кристалл около 100 –150 долларов. В нейрочипе «ЭМБРИОН-10» в таком же корпусе размещается 150 – 400 нейронов, т.е. себестоимость одного нейрона снижается в 10 – 20 раз. Ожидается, что нейрокомпьютер «ЭМБРИОН–10» будет стоить не более 2,0 тыс. –3,0 тыс. долларов, вместо 10 — 100 тыс. долларов современных нейрокомпьютеров.

«Конкурс Русских Инноваций» — 2003 «Виртуальный нейрокомпьютер для решения нечетко поставленных задач» // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.10280, 20.03.2003

[Обсуждение на форуме «Наука»]

В начало документа

© Академия Тринитаризма
info@trinitas.ru