ЧОМУ СТАРА ТЕХНОЛОГІЯ МОЖНА МОДЕЛЮВАТИ МАЙБУТНЄ ЦИФРОВИХ РОЗРАХУНКІВ
Історична колекція Еверетт
Аналогові комп’ютери були покинуті півстоліття тому, але щоб вийти за рамки сучасних пристроїв, можливо, настав час «вибуху» минулого.
Посеред ювелірного вантажу та статуї, врятованої з давньогрецької корабельної аварії, лежала купа корозійного дерева та бронзи, яка могла захопити світову уяву. Видобутий із Середземного моря в 1901 році, механізм Антикітери був дуже досконалим комп'ютером 2000 років тому. Розмір коробки для взуття з бронзовими знаряддями, що з'єднують сотні трикутних зубів, він був побудований для простеження шляхів небесних тіл і мав змогу виконувати додавання, множення, віднімання та ділення - все маневруючи ручкою.
Минуло майже півстоліття, щоб значення цього механізму стало очевидним. До того часу світ розробив нову комп’ютерну технологію, а саме: цифрові комп’ютери, якими ми користуємося сьогодні, працюють від електрики, а не від ручного важеля. Це був величезний крок вперед і виявився досить швидким і сильним, щоб підтримувати сучасну лінію.
Однак цифрові комп’ютери не завжди є найкращим інструментом. Наприклад, велика частина математики, що використовується на кордонах сучасної науки, неприємно переведена в цифрові технології, де певні рівняння важко вирішити. Нові підходи все частіше шукають у розробці штучного інтелекту, коли цифрові комп’ютери намагаються імітувати складні процеси людського мозку. Тому найновіше обладнання часто є надто дорогим та неефективним для використання в цій галузі.
Механічні пристрої навряд чи можуть бути відповіддю на проблеми, але для кращого вирішення сучасних завдань дослідники, що розробляють комп’ютери, шукають аналогові методи, які мають більше спільного з механізмом Антикітери, ніж із сучасними комп’ютерами. Щоб врятувати майбутнє обчислювальної техніки, нам може знадобитися одкровення з минулого.
Як випливає з назви, аналогові комп’ютери можуть забезпечувати фізичний аналог системи, яку вони описують. У такому пристрої, як механізм Антикітери, який складається з набору обертових коліс, положення певних коліс відображають розташування Сонця і Місяця. Ви завжди можете визначити, де знаходяться ці небесні об’єкти, просто подивившись на колеса.
Натомість у цифрової машини недостатньо таких точних відображень, але вона перетворює всю інформацію в цифри, такі як координати Сонця і Місяця, і виконує обчислення цих чисел для відображення їх змін. Працюючи на числах, незалежно від того, як працює саме фізичне обладнання, цифрові обчислення можуть бути надзвичайно універсальними.
Ключовою особливістю цифрових комп'ютерів є використання двійкових цифр, також відомих як біти, які представляють всі дані, що обробляються або зберігаються у вигляді рядків 0 і 1. У перших цифрових комп'ютерах інформація зберігалася і вводилася за допомогою перфокарт з отвори, які представляли 0, а суцільні картки, що представляють 1. Для самого розрахунку комп'ютери зчитують інформацію і перекладають її по схемах, обладнаних транзисторами, здатними перемикатися між двома станами, тобто направляти той чи інший струм. Потім обробка даних включає дотримання програми, яка кидає правильний набір перемикачів на кожному етапі розрахунку.
Недоліком зберігання даних у вигляді двійкових цифр може бути те, що значення змінних більше не є безперервними. Хоча індикатор кнопок може ідеально обертатися між усіма числами від 4 до 5, базовий цифровий комп'ютер може перейти з 4,1 до 4,2, не маючи можливості представити значення між ними. Додавання більшої кількості бітів може зробити пробіли між числами меншими і меншими, але той факт, що вони повинні робити стрибки певного розміру, є неминучим. Це не обов'язково означає зниження точності.
Першим програмованим цифровим комп’ютером загального призначення був Електронний числовий інтегратор та комп’ютер (ENIAC), представлений у 1946 році. Він був розміром з камеру та програмував кілька днів, але був значно потужнішим за будь-який інший з’явився комп’ютер. раніше. Аналогові підходи існували деякий час, але до 1980-х років були лише дивним спогадом.
Однак навіть сьогодні світ не такий цифровий, як здається. "Фізичний світ є аналогом", - говорить Янніс Цівідіс з Колумбійського університету в Нью-Йорку. Аналогові технології все ще навколо нас. Електромагнітні радіосигнали. те, що наші смартфони використовують для спілкування один з одним, є аналоговими, і для їх обробки потрібна аналого-цифрова перетворювач, щоб цифрова електроніка телефону могла їх обробити.
Аналог корисний не тільки для зміни даних з одного місця на інше. Бувають ситуації, коли ці технології перевершують цифрові в обробці даних. Ключова область стосується типів рівнянь, що використовуються для будь-чого: від моделювання впливу рівня гормонів в організмі до розуміння поведінки частинок. Ці диференціальні та інтегральні рівняння є математичними виразами, в яких величини співвідносяться з точки зору швидкості їх зміни, а не їх значень. Їх цифровий підхід передбачає обчислення та збереження значення кожної точки вздовж функції, яка посилається на дві змінні, які потім виконують обчислення цих збережених значень. Натомість аналоговий комп’ютер міг одночасно працювати на всій функції.
Одним із способів зробити це було б скористатися математикою, яка керує самими електричними ланцюгами. Такі величини, як електрика, навантаження та електрична потужність, пов'язані зі швидкістю зміни їх значень. Це означає, що вони відповідають диференціальним рівнянням, дозволяючи електричним ланцюгам служити аналогами для всіх інших систем, що регулюються такими математичними виразами. Тому Цивідіс та його колеги використовували ці типи елементів ланцюга для розробки аналогових електричних мікросхем.
На відміну від аналогових комп’ютерів у 1940-х та 1950-х роках, завдяки їх перфокартам та примітивній проводці, ці мікросхеми отримують вигоду від тих самих досягнень напівпровідникових досліджень, які зробили цифрові комп’ютери меншими та швидшими. Ці нові аналогові мікросхеми можуть підключатися один до одного, як це робиться до звичайних цифрових комп'ютерів, а головне, вони можуть вирішувати певні проблеми швидше та ефективніше, ніж їх цифрові аналоги. Наприклад, для цифрового множення двох восьмизначних двійкових значень знадобиться приблизно 3000 транзисторів, але для аналогового комп'ютера потрібно максимум вісім.
"Здається, люди не розглядали аналогові обчислення в контексті сучасних технологій", - говорить Цівідіс. "Ми зробили, і все виглядало дуже перспективно".
Електроніка корисна не тільки для аналогових обчислень. Зараз дослідники звертаються до світлових променів, особливо завдяки можливості надшвидкої передачі даних. Оптична технологія пропонує інші переваги. Коли ви розміщуєте предмети на шляху світла, ви отримуєте ефекти, що забезпечують фізичний аналог для широкого кола явищ.
Надер Енгета з Університету Пенсільванії та його колеги показали, що швидкі оптичні аналогові обчислення можна досягти за допомогою взаємодій між світлом і речовиною. Вони використовували складну структуру, відому як "метаматеріал", щоб змінити шлях світла, щоб вони могли розв'язувати інтегральні рівняння. Їх прототип призначений для роботи на довжинах хвиль мікрохвильового випромінювання. Майбутні ітерації можуть зробити це на оптичному випромінюванні або коротших довжинах хвиль, дозволяючи структурі бути в тисячу разів меншою та швидшою.
Тренування мозку
Впливовим прихильником аналогових розрахунків, представники якого інвестують в інноваційні технології, є Агентство з досліджень перспективних оборонних проектів США (DARPA). У 2016 році DARPA шукала моделі для аналогових, гібридних аналогових або цифрових пристроїв, які могли б запропонувати можливості суперкомп’ютера в настільному пристрої. Перспективна ідея, яка вийшла з цієї схеми, була навколо електронних пристроїв, званих "мемристорами".
Щоразу, коли електричний струм проходить через ланцюг, він стикається з опором. У мемристорі цей резистор змінює свою реакцію від попереднього використання, і модифікований стан резистора зберігається, коли ланцюг вимкнена, а це означає, що він має пам'ять. Це корисно для зберігання безсилих даних, а також для вчених, що працюють над нейроморфними обчисленнями, в яких електронні схеми використовуються для імітації функції мозку.
Сила зв’язків або синапсів між нейронами мозку стає сильнішою, оскільки через них проходить більше сигналів і слабшає лише в тому випадку, якщо сигнали стають розрідженими, надаючи їм функції, схожі на м’язову пам’ять. Цей постійно мінливий зв’язок важко відтворити за допомогою цифрових технологій, оскільки для ввімкнення та вимкнення йому потрібно живлення. Таким чином. мемристори розглядаються як приваблива основа для нейроморфних розрахунків.
Не всі в цьому переконані. "Я бачу деякі незначні переваги аналогових схем для нейроморфних розгортань, але ці переваги мають дуже високу вартість, за яку, як правило, не варто платити", - говорить Майк Девіс, директор обчислювальної лабораторії Intel Neuromorph.
"Цифрові методи проектування оптимізують ключові показники, які мають значення, а саме: точність, потужність, швидкість та вартість мікросхеми таким чином, що аналогові підходи не відповідають".
Мало хто стверджує, що цифровий, загалом, виграє з точки зору точності. "Ці аналогові пристрої та системи імітують реальні системи нейронної обробки", - говорить Джакомо Індівері з Швейцарського федерального технологічного інституту в Цюріху.
"Як такі, вони галасливі, неточні та невпевнені в собі". Indiveri є прихильником поєднання аналогових та цифрових технологій, щоб отримати найкраще з обох. Його думка полягає в тому, що біологічні системи неточної нейронної обробки компенсують завдяки складним механізмам зворотного зв'язку для адаптації, навчання та пластичності. Крім того, належним чином розроблені нейроморфні пристрої та алгоритми можуть отримати вигоду від цієї компенсації.
Це може мати величезні наслідки для обчислювальної потужності та швидкості. У 2011 році технологічний гігант IBM Blue Gene був одним із найпотужніших у світі з точки зору суперкомп’ютерів. Компанія досі прагне імітувати мільярди нейронів та синапсів у мозку кота, споживаючи достатньо енергії для утримання тисячі будинків.
Мемрісторові пристрої можуть бути не тільки більш компактними, але й мають шанс відповідати енергетичній ефективності мозку, даючи ті самі результати на тисячі потужностей. Все більше і більше предметів, від розумних холодильників до дитячих іграшок, оснащені обчислювальними потужностями. Люди вважають, що гібридні технології, які вибирають аналог як варіант, як спосіб живлення цих пристроїв, стають більш ефективними.
IBM має команди, присвячені аналоговим інноваціям для штучного інтелекту. Один із дослідників компанії, Сінью Цай, зазначає, що подібні аналогові пристрої вже є в повсякденній техніці. "Аналогові підходи відповідають сучасним програмам штучного інтелекту, де моделі складаються з великої кількості розрахунків, але вимагають лише обмеженої чисельної точності", - говорить Цай.
Дві тисячі років тому механізм Антикітери опустився на дно моря. Після всього цього часу, можливо, ми щойно зрозуміли справжню силу його аналогічної спадщини.