ЗАЩО СТАРАТА ТЕХНОЛОГИЯ МОЖЕ ДА МОДЕЛИРА БЪДЕЩЕТО НА ЦИФРОВИТЕ ИЗЧИСЛЕНИЯ

Историческа колекция Еверет

Аналоговите компютри бяха изоставени преди половин век, но за да излязат извън рамките на съвременните устройства, може да е време за „експлозия“ от миналото.

В средата на пратка с бижута и статуя, спасена от древногръцки корабокрушение, имаше купчина корозирало дърво и бронз, които могат да завладеят световното въображение. Извлечен от Средиземно море през 1901 г., механизмът Antikythera е бил много сложен компютър преди 2000 години. Размерът на кутия за обувки, с бронзови инструменти, които съединяват стотици триъгълни зъби, е построен, за да проследи пътищата на небесните тела и е бил в състояние да извършва събиране, умножение, изваждане и деление, всичко чрез маневриране с дръжка.

Отне почти половин век, за да стане очевидно значението на този механизъм. Дотогава светът беше разработил нова компютърна технология, а именно: цифровите компютри, които използваме днес, задвижвани от електричество, а не от ръчна манивела. Това беше огромна стъпка напред и се оказа достатъчно бърза и силна, за да поддържа модерната линия.

Цифровите компютри обаче не винаги са най-добрият инструмент. Например, голяма част от математиката, използвана в границите на съвременната наука, е неприятно преведена в цифрова технология, където някои уравнения са трудни за решаване. Все повече се търсят нови подходи при проектирането на изкуствен интелект, където цифровите компютри се борят да имитират сложните процеси на човешкия мозък. Следователно най-новият хардуер често е твърде скъп и неефективен за използване в тази област.

Механичните устройства едва ли ще бъдат отговорът на проблемите, но за да отговорят по-добре на днешните предизвикателства, изследователите, разработващи компютри, търсят аналогови техники, които имат повече общо с механизма на Антикитера, отколкото с днешните конвенционални компютри. За да спасим бъдещето на компютрите, може да се нуждаем от откровение от миналото.

Както подсказва името, аналоговите компютри могат да осигурят физически аналог на системата, която описват. В устройство като механизма Antikythera, което се състои от набор от въртящи се колела, позициите на определени колела представляват местоположението на слънцето и луната. Винаги можете да разберете къде са тези небесни обекти, само като погледнете колелата.

Вместо това цифровата машина няма достатъчно точни картографирания, но тя превръща цялата информация в числа, като координатите на слънцето и луната, и извършва изчисления на тези числа, за да картографира тяхната промяна. Работейки с числа, независимо от това как работи самото физическо оборудване, цифровите изчисления могат да бъдат изключително гъвкави.

Ключова характеристика на цифровите компютри е използването на двоични цифри, известни още като битове, които представляват всички данни, обработени или съхранени като низ от 0 и 1. В първите цифрови компютри информацията се съхранява и въвежда чрез перфокарти с дупки, представляващи 0, и плътни карти, представляващи 1. За действителното изчисление компютрите четат информацията и я преобразуват във вериги, оборудвани с транзистори, способни да превключват между две състояния, т.е. да насочват един или друг ток. След това обработката на данни включва следване на програма, която хвърля правилния набор от превключватели на всеки етап от изчислението.

Недостатък на съхраняването на данни под формата на двоични цифри би бил, че стойностите на променливите вече не са непрекъснати. Докато индикаторът на бутоните може да се върти перфектно през всички числа между 4 и 5, основният цифров компютър може да скочи от 4.1 на 4.2, без да може да представя стойностите между тях. Добавянето на повече битове може да направи пролуките между числата все по-малки и по-малки, но фактът, че трябва да правят скокове с определен размер, е неизбежен. Това не означава непременно намаляване на точността.

Първият програмируем цифров компютър с общо предназначение е електронният цифров интегратор и компютър (ENIAC), въведен през 1946 г. Той беше с размерите на камера и отнемаше дни за програмиране, но беше значително по-мощен от всеки друг компютър, който се появи. преди. Аналоговите подходи съществуват от известно време, но до 1980-те са били само странен спомен.

Въпреки това дори днес светът не е толкова цифров, колкото изглежда. „Физическият свят е аналогов“, казва Янис Цивидис от Колумбийския университет в Ню Йорк. Аналоговите технологии все още са около нас. Електромагнитни радиосигнали. че нашите смартфони използват за комуникация помежду си, са аналогови, изискващи аналогово-цифрови преобразуватели, за да позволят на цифровата електроника на телефона да ги обработва.

Аналогът е полезен не само за смяна на данни от едно място на друго. Има ситуации, в които тези технологии се оказват по-добри от цифровите при обработката на данни. Ключова област се отнася до видовете уравнения, използвани за каквото и да било, от моделирането на ефектите от нивата на хормоните в тялото до разбирането на поведението на частиците. Тези диференциални и интегрални уравнения са математически изрази, в които величините се корелират по отношение на скоростта на тяхната промяна, а не на техните стойности. Техният цифров подход включва изчисляване и съхраняване на стойността на всяка точка, заедно с функция, която се отнася до две променливи, които след това извършват изчисления на тези съхранени стойности. Вместо това аналогов компютър може да работи едновременно на цялата функция.

Един от начините да направите това би бил да се възползвате от математиката, която управлява самите електрически вериги. Стойности като електричество, товар и електрически капацитет са свързани със скоростта на промяна в техните стойности. Това означава, че те отговарят на диференциални уравнения, позволявайки на електрическите вериги да служат като аналози за всички други системи, управлявани от такива математически изрази. Следователно Tsividis и колеги са използвали този тип елементи на веригата за разработване на аналогови електрически чипове.

За разлика от аналоговите компютри през 40-те и 50-те години, с техните перфокарти и примитивно окабеляване, тези чипове се възползват от същия напредък в полупроводниковите изследвания, който направи цифровите компютри по-малки и по-бързи. Тези нови аналогови чипове могат да се свързват помежду си, както се случва с конвенционалните цифрови компютри, и най-важното е, че те могат да решават определени проблеми по-бързо и по-ефективно от своите цифрови колеги. Например цифровото умножение на две осемцифрени двоични стойности ще изисква около 3000 транзистора, но аналоговият компютър ще се нуждае от максимум осем.

"Изглежда, че хората не са разглеждали аналоговите изчисления в контекста на съвременните технологии", казва Цивидис. "Направихме и нещата изглеждаха много обещаващи."

Електрониката не само е полезна за аналогови изчисления. Сега изследователите се насочват към светлинни лъчи, особено поради възможността за супер бърз трансфер на данни. Оптичната технология предлага и други предимства. Когато поставяте обекти по пътя на светлината, получавате ефекти, които осигуряват физически аналог за широк спектър от явления.

Надер Енгета от Университета в Пенсилвания и колеги показа, че бързите оптични аналогови изчисления могат да бъдат постигнати с помощта на взаимодействия между светлина и материя. Те използваха сложна структура, известна като „метаматериал“, за да променят пътя на светлината, така че да могат да решават интегрални уравнения. Техният прототип е проектиран да работи на дълги вълни на микровълновото лъчение. Бъдещите повторения биха могли да направят това на оптично излъчване или по-къси дължини на вълната, което позволява структурата да бъде хиляда пъти по-малка и по-бърза.

Обучение на мозъка

Влиятелен поддръжник на аналоговите изчисления, чиито представители инвестират в иновативни технологии, е Американската агенция за научни изследвания за напреднали отбрана (DARPA). През 2016 г. DARPA търси модели за аналогови, хибридни аналогови или цифрови устройства, които могат да предложат възможностите на супер компютър в настолно устройство. Обещаващата идея, която излезе от тази схема, беше около електронните устройства, наречени "мемристори".

Всеки път, когато електрически ток премине през верига, той среща съпротивление. В мемристор този резистор променя реакцията си от предишната употреба и промененото състояние на съпротивление се поддържа, когато веригата е изключена, което означава, че има памет. Това е полезно за съхраняване на безсилни данни, но също така и за учени, работещи върху невроморфни изчисления, при които електронните вериги се използват за имитиране на мозъчната функция.

Силата на връзките или синапсите между мозъчните неврони става по-силна, тъй като повече сигнали преминават през тях и отслабват, само ако сигналите стават оскъдни, като им придават функции, подобни на мускулна памет. Тази постоянно променяща се свързаност е трудна за възпроизвеждане с цифрова технология, защото се нуждае от захранване, за да бъде включена или изключена. По този начин. мемристорите се разглеждат като привлекателна основа за невроморфно изчисление.

Не всички са убедени в това. „Виждам някои незначителни ползи от аналоговите схеми за невроморфни внедрения, но тези ползи идват с много висока цена, за която обикновено не си струва да се плаща“, казва Майк Дейвис, директор на изчислителната лаборатория на Intel Neuromorph.

„Методите за цифрово проектиране оптимизират ключовите цифри, които имат значение, а именно: точност, мощност, скорост и цена на чипа, по начини, по които аналоговите подходи не се вписват.

Малцина твърдят, че дигиталът като цяло печели по отношение на точността. „Тези аналогови устройства и системи имитират реални системи за невронна обработка“, казва Джакомо Индивери от Швейцарския федерален технологичен институт в Цюрих.

„Като такива те са шумни, неточни и несигурни.“ Indiveri е привърженик на комбинирането на аналогови с цифрови технологии, за да получите най-доброто от двете. Неговото мнение е, че биологичните системи с неточна невронна обработка компенсират чрез сложни механизми за обратна връзка за адаптация, учене и пластичност. Също така, правилно проектирани, невроморфни устройства и алгоритми могат да се възползват от тази компенсация.

Това може да има огромни последици за изчислителната мощност и скорост. През 2011 г. технологичният гигант IBM Blue Gene беше един от най-мощните в света по отношение на суперкомпютрите. Компанията все още се стреми да симулира милиарди неврони и синапси в мозъка на котката, консумирайки достатъчно енергия, за да поддържа хиляда домове.

Мемристорните устройства могат не само да бъдат по-компактни, но имат шанса да съответстват на енергийната ефективност на мозъка, като дават същите резултати при хиляда мощности. Все повече артикули, от интелигентни хладилници до детски играчки, са оборудвани с изчислителна мощ. Хората вярват, че хибридните технологии, които избират аналогов вариант, като начин за захранване на тези устройства, стават по-ефективни.

IBM разполага с екипи, посветени на аналоговите иновации за изкуствен интелект. Един от изследователите на компанията, Hsinyu Tsai, посочва, че подобни аналогови устройства вече се срещат в ежедневните технологии. „Аналоговите подходи отговарят на съвременните приложения на изкуствения интелект, където моделите се състоят от голям брой изчисления, но изискват само ограничена числена точност“, казва Цай.

Преди две хиляди години механизмът Антикитера потъна на дъното на морето. След цялото това време, може би току-що разбрахме истинската сила на неговото аналогично наследство.