OCAS Cortiphica

OCAS Cortiphica
ЧТО ТАКОЕ OCAS CORTIPHICA?
OCAS Cortiphica - программный комплекс интегрированной среды разработки (Neural Integrated Development Environment, NIDE) нейронных сетей, искусственных когнитивных систем и систем искусственного интеллекта. Данный инструмент позволяет самым разным категориям специалистов, от исследователей и инженеров до студентов и школьников, создавать архитектуры нейросетей с сотнями миллионов элементов и сетевыми сложноструктурированными ядрами для реализации когнитивных функций.

OCAS Cortiphica позволяет разрабатывать как "классические" нейронные сети, такие, как перцептроны, так и биоморфные нейросети, подобные нейронным сетям живых организмов. Добиться этого удается за счет редукции базовой модели нейрона с многофазным формированием следа памяти, заложенной в систему OCAS Cortiphica, до более простых нейроподобных элементов "классических" нейросетей.

Основой системы OCAS Cortiphica при этом являются даже не нейроны, а кибергены - элементы программного кода, формирующие структуру и обеспечивающие динамическую перестройку тел нейронов (сом), отростков нейронов (дендритов и аксонов) и синапсов (межнейронных соединений), создаваемых и развивающихся нейросетей.
ЗАЧЕМ НУЖНА CORTIPHICA?
OCAS Cortiphica предназначена для разработки принципиально новых нейросетевых архитектур и может использоваться в ряде отраслей.

Научные исследования. В академической сфере OCAS Cortiphica может с успехом применяться для решения двух основных классов задач: (1) разработка нейросетевых систем искусственного интеллекта и (2) построение динамических моделей нервных узлов живых существ, реконструируемых в ходе нейробиологических исследований.

Инжиниринг. Система обеспечивает вход в нейросети сигналов различной модальности (текст, звук, изображения, данные других сенсорных регистраторов) и выход управляющих сигналов на приводы и другие исполняемые устройства. OCAS Cortiphica может применяться для создания систем управления техническими объектами, такими, как автономные роботы, автоматизированные комплексы и виртуальные 3D-модели.

Образование. OCAS Cortiphica может использоваться в высшей школе в ходе обучения студентов по техническим специальностям, информационным технологиям и нейробиологии.

Практическая работа по разработке и реализации нейронных сетей в среде OCAS Cortiphica сформирует у обучающихся четкие представления о процессах формирования памяти в живом нейроне, организации синаптической передачи сигналов, нейроплатичности, организации и синхронизации работы нейронных сетей и их перестройке в ходе обработки сигналов.

Опыт работы с OCAS Cortiphica показывает, что система может с успехом применяться даже на уровне школьных специализированных кружков нейромоделистов. Используя готовые элементы нейронов под руководством преподавателей, школьники могут сначала копировать, а потом и самостоятельно разрабатывать не очень сложные нейросетевые архитектуры. Этому способствует наличие в составе среды OCAS Cortiphica виртуального мира с воспроизведением физических характеристик мира реального, в рамках которого школьники могут применять разрабатываемые нейросети к управлению 3D-моделями.
КАК УСТРОЕНА OCAS CORTIPHICA?
Графический интерфейс
Разработка нейросетей в OCAS Cortiphica ведется в окне модуля "Мастер сетей" с графическим интерфейсом. В системе созданы многочисленные удобные инструменты для быстрого и точного проведения многочисленных связей между произвольно располагаемыми сомами нейронов. В системе также используются вложенные листы для моделирования трехмерного объема создаваемых нейросетей. Так как сети могут состоять из сотен миллионов элементов, которые невозможно уместить в оперативную память компьютера, создается механизм объединения частей сети в группы — локусы. С каждым локусом работа ведется независимо от остальной сети. Иерархия сети становится рекурсивной — локусы могут содержать другие локусы. Для быстрого доступа к фрагментам сети, реализован механизм генерации визуального представления сети в разных масштабах.

Модели нейронов
След памяти формируется в нервной клетке проходя ряд стадий — от возникновения электрических потенциалов до формирования новых белковых рецепторов и структурной перестройки в результате включения генов в ядре клетки. В используемых в OCAS Cortiphica базовых моделях искусственных нейронов моделируется процесс консолидации и реконсолидации следа памяти, включающий в себя краткосрочные, среднесрочные и долгосрочные фазы формирования памяти.

Более короткие фазы памяти служат основой для формирования более долгосрочных. В моделях отсеков (дендритов, сом, аксонов) нейронов ОКАС используются такие параметры, как частота потенциалов действия, аксональная фасилитация, выброс медиатора, события медиаторно-рецепторного соединения, постсинаптические потенциалы и синтез новых рецепторов медиатора при обучении. С каждой из фаз формирования памяти в искусственных нейронах связаны важные когнитивные способности нейросетей. Редактирование моделей отсеков нейронов осуществляется в модуле "Мастер моделей нейронов". Созданные модели отсеков нейрона сохраняются в библиотеке моделей в качестве шаблона для использования при создании различных нейронов.

Кибергеномика
Для управления ростом и развитием больших нейросетей в OCAS Cortiphica применяется «кибергеномика» — программные алгоритмы, обеспечивающие формирование и изменение структуры сети посредством моделирования эффектов генетической экспрессии у живых организмов. Элементы искусственных нейронов (дендриты, сомы, аксоны, а также синапсы) создаются как наборы кибергенов.

Кибергены обеспечивают развертывание и структурные изменения нейросетей. Под кибергенами понимаются структурно - функциональные единицы программного кода, контролирующие развитие определенного признака, свойства, процедуры или экспрессию других кибергенов в рамках кибергенетической системы, такой, как нейрогенетическая сеть. Кибергены определяют развитие, рост и функционирование киберорганизма. Существуют структурные, координатные, функциональные кибергены и др. Кибергены могут редактироваться в программном модуле "Мастер кибергенов".

Сигнальные события в нейросети могут обусловливать ее структурную перестройку, реализуя эффекты эпигенитического регулирования.

Интерфейсы ввода и вывода сигналов
Система обеспечивает ввод в нейросети и вывод из них сигналов различной модальности: текста, звука, изображений, других сенсорных сигналов, включая сигналы с моторных устройств и приводов. Вводимый видеосигнал может расслаиваться по длинам волны для активации различных типов искусственных фоторецепторов. Кроме того, система имеет виртуальные камеры, используемые в рамках виртуального мира системы.

Виртуальный мир
Для разработки нейронных сетей управления моделируемыми киберфизическими системами в рамках IDE OCAS Cortiphica создан виртуальный мир с полигонами и управляемыми 3D-моделями.

Производительность и аппаратное обеспечение
IDE OCAS Cortiphica выполнена как параллельный программный высокопроизводительный комплекс для суперкомпьютеров. Система реализована на низкоуровневом языке C++ с набором кроссплатформенных библиотек классов Qt.

В качестве аппаратной платформы системы рекомендуются узлы на базе высокопроизводительных серверов с процессорами Intel Xeon Processor E5-2650V3 и сопроцессорами Xeon PHI (или подобные). Аргументом за выбор платформы Intel PHI является сочетание высокой мощности процессоров и большого объема оперативной памяти (256 гигабайт) в серверах.

Для эффективного параллельного выполнения расчета на системах с общей памятью была использована библиотека OpenMP. Система позволяет создавать нейронные сети с 30 млн. искусственных синапсов на один вычислительный узел.
УСЛОВИЯ ПОСТАВКИ NIDE OCAS CORTIPHICA
NIDE OCAS Cortiphica поставляется как программа для ЭВМ в соответствии с лицензионным договором на условиях простой (неисключительной) лицензии.

Система может быть установлена на компьютерах заказчика или эксплуатироваться удаленно, на компьютерах ОКАС c доступом через интернет.

При необходимости вместе с системой поставляются робототехнические шасси для проведения разработок или разрабатываются востребуемые заказчиком 3D-модели виртуального мира. В случае использования системы в образовательных целях ОКАС может поставить соответствующее методическое обеспечение для образовательных программ.
Демонстрационный пример обучения и дообучения (с рекомбинацией следа памяти) элемента кортикоморфной сети управлению виртуальным трубопроводом
Пример обучения гиппоморфной нейросети поворотам виртуального автомобиля после двух обучающих примеров - одного поворота направо и одного налево в NIDE OCAS Cortiphica
Образование нейронов графических объектов (grandmother cells) в кортикоморфной нейросети ОКАС
Мультимодальное ассоциирование (текст, изображение и моторика робота) и кибергеномика (на примере проращивания нейросетевого локуса) в NIDE OCAS Cortiphica