Motivation
In künstlichen neuronalen Netzen werden Prinzipien der biologischen neuronalen Netze auf technische Systeme übertragen. Für die Erforschung und Anwendung neuronaler Netze in komplexen Problemstellungen (z.B. Bild- und Spracherkennung) ist es notwendig, unterschiedliche neuronale Netzwerkarchitekturen problemorientiert und unter Berücksichtigung ihrer Eigenarten in einem Systemkonzept zu vereinigen.
Das Multiprozessor-System MoNA integriert anwendungsspezifische Hardware und Standard-Komponenten
Ergebnisse
Mit dem heterogenen Multiprozessorsystem MoNA (Multiprozessor-System für Neuronale Anwendungen) haben wir den Prototypen einer konfigurierbaren und skalierbaren Systemarchitektur geschaffen, die unterschiedliche Systemkomponenten (z.B. neuronale Netzwerkmodelle) unabhängig von ihrer Implementierungsart integriert. Die erforderlichen Simulationen können anfangs auf Mikroprozessoren ausgeführt werden, und sobald sich ein Netzmodell etabliert hat besteht die Möglichkeit, gezielt einzelne Systemkomponenten durch anwendungsspezifische Hardware zu ersetzen.
Für unterschiedliche Netzwerkmodelle wurden am Fachgebiet Schaltungstechnik VLSI-gerechte Systemkonzepte erarbeitet und in mikroelektronische Bausteine und Systeme umgesetzt. Ein oder mehrere Module übernehmen dabei die Aufgabenstellung für eine Komponente des zu realisierenden hybriden Systems. Die Kommunikation zwischen den Komponenten wird über den VME-Bus sowie über ein zusätzliches Bussystem für den schnellen Datenaustausch zwischen gleichartigen Modulen realisiert. Zur Zeit stehen Komponenten für die Simulation selbstorganisierender Karten sowie für die Simulation neuronaler Assoziativspeicher zur Verfügung.
Die NBX-VME Karte integriert acht NBX-Neuroprozessoren in das MONA-System
Mit den anwendungsspezifischen Schaltungen NBISOM25 und NBX wurden Neuroprozessoren entwickelt, die zu den weltweit schnellsten Realisierungen neuronaler Netze zählen. Der NBX wurde in einer CMOS-Technologie mit einer minimalen Strukturgröße von 0,8 µm gefertigt. Auf einer Chipfläche von 28,5 mm² sind ca. 161.800 Transistoren integriert. Bei einer Taktfrequenz von 45 MHz und einer Versorgungsspannung von 5 V liegt die Leistungsaufnahme des Bausteins bei 425 mW. Für die erforderlichen Berechnungen steht auf dem Chip eine Matrix von 16 Prozessorelementen zur Verfügung, jedem Prozessorelement ist ein integrierter Speicher von 128 Byte zugeordnet. Die Prozessorelemente ermöglichen neben der reinen Simulation des neuronalen Netzes eine Online-Visualisierung des Anlernvorgangs.
Mit der VME-Bus-Karte NBX-VME werden acht NBX-Bausteine in das MoNA-System eingebettet. Mit den damit zur Verfügung stehenden 128 parallel arbeitenden Prozessorelementen erreicht das System eine maximale Leistung von 280 MCUPS (Millionen Verbindungsänderungen pro Sekunde) und in der Abrufphase und mehr als 3300 MCPS (Millionen Verbindungen pro Sekunde). Die Leistung moderne Arbeitsplatzrechner ist für die hier betrachteten neuronalen Netze auf ca. 20 MCUPS beschränkt. Das MoNA-System ist vollständig in die am Fachgebiet entwickelte Simulationsumgebung für selbstorganisierende Karten SANKOM integriert. Mit Hilfe einer Java-basierten Benutzerschnittstelle kann das System zudem von jedem Java-fähigen Rechner aus über das Internet genutzt werden.
