PREČO STARÁ TECHNOLÓGIA MOHLA MODELOVAŤ BUDÚCNOSŤ DIGITÁLNYCH VÝPOČTOV
Everettova historická zbierka
Analógové počítače boli opustené pred polstoročím, ale aby sme sa dostali za hranice moderných zariadení, môže nastať čas na „výbuch“ minulosti.
Uprostred zásielky šperkov a sochy zachránenej zo starogréckeho vraku lode bola hromada skorodovaného dreva a bronzu, ktorá dokázala zaujať predstavivosť sveta. Mechanizmus Antikythera, ktorý bol extrahovaný zo Stredomoria v roku 1901, bol pred 2000 rokmi veľmi sofistikovaným počítačom. Veľkosť skrinky na topánky s bronzovými nástrojmi, ktoré spájajú stovky trojuholníkových zubov, bola vyrobená na sledovanie dráh nebeských telies a bola schopná vykonávať sčítanie, násobenie, odčítanie a delenie, a to všetko manévrovaním s rukoväťou.
Trvalo takmer pol storočia, kým sa ukázal význam tohto mechanizmu. Do tej doby svet vyvinul novú počítačovú technológiu, konkrétne: digitálne počítače, ktoré dnes používame, a ktoré sú poháňané elektrinou, a nie ručnou kľukou. Boli to obrovský krok vpred a ukázali sa ako dostatočne rýchle a silné na udržanie modernej línie.
Digitálne počítače však nie sú vždy najlepším nástrojom. Napríklad veľká časť matematiky používanej na hraniciach modernej vedy je nepríjemne preložená do digitálnej technológie, kde je ťažké vyriešiť niektoré rovnice. Nové prístupy sú čoraz viac vyhľadávané v dizajne umelej inteligencie, kde digitálne počítače ťažko napodobňujú zložité procesy ľudského mozgu. Preto je najnovší hardvér v tejto oblasti často príliš drahý a neefektívny.
Je nepravdepodobné, že by mechanické zariadenia boli odpoveďou na problémy, ale aby výskumníci vyvíjajúci počítače lepšie čelili dnešným výzvam, hľadajú analógové techniky, ktoré majú spoločné s mechanizmom Antikythera viac ako s dnešnými konvenčnými počítačmi. Aby sme zachránili budúcnosť výpočtovej techniky, možno budeme potrebovať zjavenie z minulosti.
Ako naznačuje názov, analógové počítače môžu poskytovať fyzický analóg systému, ktorý popisujú. V zariadení, ako je mechanizmus Antikythera, ktorý sa skladá zo sady rotujúcich kolies, polohy určitých kolies predstavujú polohy slnka a mesiaca. Už podľa pohľadu na kolesá môžete kedykoľvek zistiť, kde sú tieto nebeské objekty.
Digitálny stroj namiesto toho nemá dostatok takýchto presných zobrazení, ale všetky informácie premieňa na čísla, napríklad na súradnice slnka a mesiaca, a na základe týchto čísel vykonáva výpočty na mapovanie ich zmien. Digitálne výpočty, ktoré pracujú na číslach, môžu byť mimoriadne univerzálne bez ohľadu na to, ako samotné fyzické zariadenie funguje.
Kľúčovou vlastnosťou digitálnych počítačov je použitie binárnych číslic, známych tiež ako bity, ktoré predstavujú všetky údaje spracované alebo uložené ako reťazec 0 a 1. V prvých digitálnych počítačoch sa informácie ukladali a zadávali prostredníctvom diernych štítkov s diery predstavujúce 0 a pevné karty predstavujúce 1. Pre samotný výpočet počítače načítajú informácie a prekladajú ich do obvodov vybavených tranzistormi schopnými prepínať medzi dvoma stavmi, to znamená smerovať jeden alebo druhý prúd. Spracovanie údajov potom zahŕňa sledovanie programu, ktorý v každej fáze výpočtu hodí správnu sadu prepínačov.
Nevýhodou ukladania údajov vo forme binárnych číslic by bolo, že hodnoty premenných už nie sú spojité. Zatiaľ čo indikátor tlačidla dokáže perfektne otáčať všetkými číslami od 4 do 5, základný digitálny počítač môže skákať z 4,1 na 4,2 bez toho, aby dokázal medzi nimi zobrazovať hodnoty. Pridaním ďalších bitov sa môžu medzery medzi číslami zmenšiť a zmenšiť, ale skutočnosť, že musia robiť skoky určitej veľkosti, je nevyhnutná. To nevyhnutne neznamená zníženie presnosti.
Prvým programovateľným digitálnym počítačom na všeobecné účely bol Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) uvedený na trh v roku 1946. Mal veľkosť fotoaparátu a programovanie mu trvalo niekoľko dní, ale bol výrazne výkonnejší ako akýkoľvek iný počítač, ktorý sa objavil. predtým. Analógové prístupy existujú už nejaký čas, ale do 80. rokov boli iba zvláštnou spomienkou.
Avšak ani dnes svet nie je taký digitálny, ako sa zdá. „Fyzický svet je analógový,“ hovorí Yannis Tsividis z Kolumbijskej univerzity v New Yorku. Analógová technológia je stále okolo nás. Elektromagnetické rádiové signály. ktoré naše smartphony používajú na vzájomnú komunikáciu, sú analógové, čo si vyžaduje analógovo-digitálne prevodníky, aby ich mohla digitálna elektronika telefónu spracovať.
Analóg je nielen užitočný na zmenu údajov z jedného miesta na druhé. Existujú situácie, v ktorých sa tieto technológie v spracovaní údajov ukážu ako nadradené digitálnym. Kľúčová oblasť sa týka typov rovníc používaných pre čokoľvek, od modelovania účinkov hladín hormónov v tele po pochopenie správania častíc. Tieto diferenciálne a integrálne rovnice sú matematickými výrazmi, v ktorých sú veličiny korelované skôr z hľadiska ich rýchlosti zmeny než z hľadiska ich hodnôt. Ich digitálny prístup spočíva v výpočte a uložení hodnoty každého bodu spolu s funkciou, ktorá odkazuje na dve premenné, ktoré potom vykonávajú výpočty týchto uložených hodnôt. Namiesto toho mohol analógový počítač bežať súčasne na celej funkcii.
Jedným zo spôsobov, ako to dosiahnuť, by bolo zužitkovať matematiku, ktorá riadi samotné elektrické obvody. Hodnoty ako elektrina, zaťaženie a elektrická kapacita súvisia s rýchlosťou zmeny ich hodnôt. To znamená, že zodpovedajú diferenciálnym rovniciam, čo umožňuje, aby elektrické obvody slúžili ako analógy pre všetky ostatné systémy riadené týmito matematickými výrazmi. Preto Tsividis a kolegovia použili tieto typy obvodových prvkov na vývoj analógových elektrických čipov.
Na rozdiel od analógových počítačov v 40. a 50. rokoch 20. storočia majú tieto čipy so svojimi dierovanými štítkami a primitívnym zapojením rovnaký pokrok v polovodičovom výskume, vďaka ktorému boli digitálne počítače menšie a rýchlejšie. Tieto nové analógové čipy sa môžu navzájom prepojiť, ako je to v prípade konvenčných digitálnych počítačov, a čo je najdôležitejšie, môžu vyriešiť určité problémy rýchlejšie a efektívnejšie ako ich digitálni kolegovia. Napríklad digitálne znásobenie dvoch osemmiestnych binárnych hodnôt by vyžadovalo asi 3 000 tranzistorov, ale analógový počítač by potreboval maximálne osem.
„Zdá sa, že ľudia neuvažovali o analógovom výpočte v kontexte moderných technológií,“ hovorí Tsividis. „Urobili sme a veci vyzerali veľmi sľubne.“
Pre analógové výpočty je užitočná nielen elektronika. Vedci sa v súčasnosti obracajú na svetelné lúče, najmä kvôli možnosti superrýchleho prenosu dát. Optická technológia ponúka ďalšie výhody. Ak umiestnite objekty do dráhy svetla, získate efekty, ktoré poskytujú fyzický analóg pre širokú škálu javov.
Nader Engheta z University of Pennsylvania a jeho kolegovia ukázali, že rýchly optický analógový výpočet je možné dosiahnuť pomocou interakcií medzi svetlom a hmotou. Na zmenu dráhy svetla použili zložitú štruktúru známu ako „metamateriál“, aby mohli riešiť integrálne rovnice. Ich prototyp je navrhnutý tak, aby pracoval na vysokých vlnových dĺžkach mikrovlnného žiarenia. Budúce iterácie by to mohli robiť na optickom žiarení alebo kratších vlnových dĺžkach, čo umožní, aby bola štruktúra tisíckrát menšia a rýchlejšia.
Tréning mozgu
Vplyvným podporovateľom analógových výpočtov, ktorého zástupcovia investujú do inovatívnych technológií, je Americká agentúra pre výskum pokročilých obranných projektov (DARPA). V roku 2016 DARPA hľadala modely pre analógové, hybridné analógové alebo digitálne zariadenia, ktoré by mohli ponúknuť možnosti superpočítača v stolnom počítači. Sľubná myšlienka, ktorá vyšla z tejto schémy, sa týkala elektronických zariadení nazývaných „memristory“.
Zakaždým, keď elektrický prúd prechádza obvodom, narazí na odpor. V memristore tento rezistor mení svoju odozvu z predchádzajúceho použitia a stav upraveného rezistora sa zachová aj po vypnutí obvodu, čo znamená, že má pamäť. To je užitočné pre ukladanie bezmocných údajov, ale aj pre vedcov pracujúcich na neuromorfných výpočtoch, pri ktorých sa elektronické obvody používajú na napodobňovanie mozgových funkcií.
Sila spojení alebo synapsií medzi mozgovými neurónmi sa stáva silnejšou, keď nimi prechádza viac signálov, a slabnú iba vtedy, ak sú signály riedke, čo im dáva funkcie učenia podobné svalovej pamäti. Toto neustále sa meniace pripojenie je ťažké replikovať s digitálnou technológiou, pretože vyžaduje zapnutie alebo vypnutie napájania. Teda. memristory sa považujú za atraktívny základ pre neuromorfný výpočet.
Nie všetci sú o tom presvedčení. „Vidím niektoré okrajové výhody analógových obvodov pre neuromorfné implementácie, ale tieto výhody majú veľmi vysoké náklady, ktoré sa všeobecne neoplatí platiť,“ hovorí Mike Davies, riaditeľ výpočtového laboratória spoločnosti Intel pre neuromorfy.
„Metódy digitálneho návrhu optimalizujú kľúčové čísla, na ktorých záleží, konkrétne: presnosť, výkon, rýchlosť a náklady na čip, a to spôsobom, ktorý analógové prístupy nezodpovedajú.“
Málokto tvrdí, že digitálnosť vo všeobecnosti vyhráva z hľadiska presnosti. „Tieto analógové zariadenia a systémy napodobňujú skutočné neurálne systémy spracovania,“ hovorí Giacomo Indiveri zo Švajčiarskeho federálneho technologického inštitútu v Zürichu.
„Preto sú hlučné, nepresné a neisté.“ Indiveri je zástancom kombinovania analógových a digitálnych technológií, aby ste dosiahli to najlepšie z oboch. Jeho názor je, že biologické systémy nepresného nervového spracovania kompenzujú prostredníctvom sofistikovaných mechanizmov spätnej väzby pre adaptáciu, učenie a plasticitu. Z tejto kompenzácie by mohli profitovať aj správne navrhnuté neuromorfné zariadenia a algoritmy.
To by mohlo mať obrovské dôsledky na výpočtový výkon a rýchlosť. Technologický gigant IBM Blue Gene bol v roku 2011 jedným z najvýkonnejších na svete v oblasti superpočítačov. Spoločnosť sa stále snaží simulovať miliardy neurónov a synapsií v mozgu mačky a spotrebúva dostatok energie na údržbu tisícov domov.
Memristorové zariadenia môžu byť nielen kompaktnejšie, ale majú tiež šancu vyrovnať sa energetickej účinnosti mozgu a poskytnúť rovnaké výsledky pri tisícke výkonov. Stále viac a viac predmetov, od inteligentných chladničiek až po detské hračky, je vybavených výpočtovým výkonom. Jednotlivci sa domnievajú, že hybridné technológie, ktoré si ako alternatívu napájania týchto zariadení vyberú analógové, sa stávajú efektívnejšie.
IBM má tímy zamerané na analógové inovácie pre umelú inteligenciu. Jeden z vedcov spoločnosti, Hsinyu Tsai, poukazuje na to, že takéto analógové zariadenia sa už nachádzajú v každodennej technológii. „Analógové prístupy vyhovujú dnešným aplikáciám umelej inteligencie, kde modely pozostávajú z veľkého množstva výpočtov, ale vyžadujú iba obmedzenú číselnú presnosť,“ hovorí Tsai.
Pred dvetisíc rokmi mechanizmus Antikythera klesol na dno mora. Po toľkom čase sme možno práve pochopili skutočnú moc jeho analogického odkazu.