Bilgisayar ve Beynin Karşılaştırmalı Evrimi Bilgi Đşleyen Makina Olarak Beyin - 3 23-24 Aralık 2005 Boğ, Đstanbul M. Ufuk Çağlayan Bilgisayar Mühendisliği Bölümü Boğ 24 Aralık 2005 Motivasyon Bilgisayar gelişiminde (evrimi?) ve beyin/sinir sistemi evriminde nerelerdeyiz? Bilgisayar birimleri ile beyin ve sinir sistemi arasında ne gibi spekülatif karşılaştırmalar yapabiliriz? Sayfa 1 / 39 Sayfa 2 / 39 Genel Bakış Bilgisayar Gelişimi Temel Birimler, Đşlemciler ve Bellek Beyin ve Sinir Sistemi Evrimi (kısacık) Nöron=Đşlemci? Veya, Beyin=Đşlemci? Bilgisayarların Gelişimi - 1 Mekanik Toplama/Çıkartma Makinaları : Schickard (1592-1635), Pascal (1623-1662), Leibniz (1646-1726) Babbage (1791-1871) Difference Engine ve Analytical Engine, Jacquard dokuma (1804, delikli kart), Hollerith (1890, delikli kart) Elektromekanik bilgisayarlar Zuse (Z1, 1936, röleli ve Z3, 1943 delikli 35mm film) Sayfa 3 / 39 Sayfa 4 / 39 Bilgisayarların Gelişimi - 2 Elektronik bilgisayarlar Atasanoff-Berry bilgisayarı (1939), ENIAC (1946, Mauchly & Eckert, U. Penn, 18000 tüp), Colossus (1943, Đngiliz, Enigma kod çözücü, 2400 tüp, Turing) Von Neumann Stored Program kavramı (1946), EDVAC tasarımı, IAS bilgisayar (1951) Manchester U. The Baby, ilk stored program bilgisayar (1948), ilk transistörlü bilgisayar (1953) Cambridge U. EDSAC (1949, Wilkes) Sayfa 5 / 39 Bilgisayarların Gelişimi - 3 Elektronik bilgisayarlar (devam) Tamamen transistörlü bilgisayarlar (~1950-1971): Ana bilgisayarlar (IBM 360, 370, CDC vb), mini bilgisayarlar (PDP-8, -11, vb) LSI ve VLSI işlemcili bilgisayarlar - Intel 4004, 1971 (ilk mikroişlemci), 8008, 1972 - Intel 8080, 1974 (6 micron, 6000 transistör) - Altair, ilk kişisel bilgisayar, Nisan 1974 - Binlerce farklı işlev, performans ve maliyette mikroişlemciler Sayfa 6 / 39 1
Temel Bilgisayar Birimleri En Temel Birim : NAND Kapı (Gate) Bir bit sayısal mantık ve bellek birimleri : AND, OR, NOT, NAND, Flip-Flop Đkili aritmetik toplama ve tersini alma birimleri Đkili AND, OR, NOT, XOR mantık işlem birimleri Register lar, sayaçlar, cep ve ana bellekler Đşlemciler Giriş/Çıkış birimleri Sayfa 7 / 39 Sayfa 8 / 39 2 transistor ile NAND Kapı Uygulaması NAND Kapıların Kullanımı Transistör, ~1cm Silicon atomları arası 0.235 nm Sayfa 9 / 39 Integer ve Floating Point toplayıcılar 4-64 bit integer, 32-256 bit floating point Mantık Đşlem Birimleri 4-64 bit AND, OR, NOT, XOR Aritmetik Mantık Birimi (ALU) Komut (instruction) Decoders Kontrol Mantık (Control Logic) Birimleri Sayfa 10 / 39 Flip-Flop : Temel Bellek Birimi NAND Kapı ile J-K Flip-Flop Flip-Flop un Temel Bellek Birimi Olarak Kullanımı Register lar (en hızlı bellek) 4-64 bit integer, 32-256 bit floating point Sayaçlar (Counters) 32-64 bit Timer, TOD, vb Cep (Cache) bellek (L1, L2, L3, daha yavaş) Ana (RAM) Bellek (çok daha yavaş) Örnek Hızlar: 1ns, 5ns, 60ns Sayfa 11 / 39 Sayfa 12 / 39 2
Basit Đşlemci (CPU) Temel Yapıları Đşlemci Gelişimi : Son 30 yıl 6 mikron 0.8 mikron CPU 0.13 mikron Sayfa 13 / 39 0.09 mikron=90nm Sayfa 14 / 39 Pentium 4 Đşlemci, 3.73GHz, 2MB L2 cache 90nm, 169M transistör Athlon ve Pentium 4 Đşlemci Sayfa 15 / 39 Sayfa 16 / 39 Modern Mikroişlemcilerin Özellikleri 64 bit aritmetik işlemler 4-20 seviyeli mikrokomut pipeline lar Komut seviyesinde paralel işlemler ve birden fazla (2-8) ALU, olası komut yollarında paralel işlemler Çok daha fazla sayıda (256) register lar ve büyük cep (Cache) bellek (Itanium, 9MB L2) Daha geniş bellek veriyolu (>256 bit) Bilgisayarlar-Dış Dünya Đlişkisi Elektromekanik Anahtarlar (klavye, fare, vb) Floppy, harddisk, vb Optoelektronik Yarı-iletken ışık kaynakları (LED, LCD, Laser diyot) Yarı-iletken ışık algılayıcılar (ışığa hassas direnç, diyot ve transistörler) Diğer : CRT, mikrofon, hoparlör, basınç/ısı algılayıcılar, vb Sayfa 17 / 39 Sayfa 18 / 39 3
Beyin Evrimi - 1 Beyin ve sinir sistemi evriminin nasıl olduğunu anlamaya çalışan, farklı bilim alanlarından binlerce araştırıcı Geleneksel yaklaşım : Beynin karşılaştırmalı anatomi ve fizyolojisine odaklanma Modern yaklaşım : Genetik ve kognitif özelliklere odaklanma Sayfa 19 / 39 Sayfa 20 / 39 Beyin Evrimi - 2 Beyin vs Bilgisayar - 1 Đnsanda (ve insansılarda) son 3-4 milyon yılda beyin hacminin yaklaşık 400ml den yaklaşık 1400ml ye artması Nöron sayılarında artış? Cf. Paralel işlemci/işlem birimi sayısı? Đşlemcilerde transistör sayısı? Beyinde reorganizasyon, yapısal değişiklikler, yeni bölümler (cerebral cortex?) Sayfa 21 / 39 Sayfa 22 / 39 Beyin vs Bilgisayar - 2 Beyin vs Bilgisayar - 3 Beyin ~= 100 giga nörons (işlemci?) Nöron başına binlerce bağlantı: ~1000-10000? Statik/Dinamik bağlantılar..! Beyindeki yapısal birimlerin (işlemci) sayısı: ~100-1000? 100M nöron/yapısal birim? Yapısal birimler bazında : 100M**1000 bağlantı? En karmaşık paralel bilgisayarlar: 10K CPU? Đşlemci (CPU) : Bir nörondan daha karmaşık? Yazılım Faktörü Yazılım, işlemcinin belleğinde ve yapılacak işlerin bir planı Statik/Dinamik bağlantılara yol açtığı varsayılabilir..! Đşlemci (CPU) + Yazılım = Beyin? Sayfa 23 / 39 Sayfa 24 / 39 4
Bilgi veđletişimđçin Prof. Dr. M. Ufuk Çağlayan Bilgisayar Mühendisliği Bölümü Boğaziçi Universitesi Bebek, Đstanbul 34342 Tel : +90 (212) 359 6698 Faks: +90 (212) 287 2461 E-posta : caglayan@boun.edu.tr Web: http://www.cmpe.boun.edu.tr/~caglayan Sayfa 25 / 39 5