ЗОШТО Старата технологија може да го моделира иднината на дигиталните пресметки
Историска збирка Еверет
Аналогните компјутери беа напуштени пред половина век, но за да се надминат границите на современите уреди, можеби е време за „експлозија“ од минатото.
Среде пратка со накит и статуа спасена од антички грчки бродолом, имаше куп кородирано дрво и бронза што може да ја долови фантазијата на светот. Извлечен од Медитеранот во 1901 година, механизмот „Антикитера“ беше многу софистициран компјутер пред 2000 години. Големината на кутијата за чевли, со бронзени алатки кои спојуваат стотици триаголни заби, била изградена за да ги пронајде патеките на небесните тела и можела да изврши собирање, множење, одземање и делење, сето тоа со маневрирање со рачка.
Потребно беше скоро половина век за да се појави значењето на овој механизам. Дотогаш, светот разви нова компјутерска технологија, имено: дигиталните компјутери што ги користиме денес, напојувани од електрична енергија, наместо со рачен чудак. Овие беа огромен чекор напред и се покажаа како доволно брзи и силни за одржување на модерната линија.
Сепак, дигиталните компјутери не се секогаш најдобрата алатка. На пример, голем дел од математиката што се користи на границите на модерната наука е непријатно преведена во дигитална технологија, каде што одредени равенки се тешки за решавање. Новите приоди се повеќе се бараат во дизајнот на вештачката интелигенција, каде што дигиталните компјутери се борат да ги имитираат сложените процеси на човечкиот мозок. Затоа, најновиот хардвер е често прескап и неефикасен за употреба во оваа област.
Механичките уреди веројатно нема да бидат одговор на проблемите, но за подобро одговарање на денешните предизвици, истражувачите кои развиваат компјутери бараат аналогни техники кои имаат повеќе заедничко со механизмот „Антикитера“ отколку со денешните конвенционални компјутери. За да ја спасиме иднината на компјутерите, можеби ќе ни треба откривање од минатото.
Како што сугерира името, аналогните компјутери можат да обезбедат физички аналог на системот што го опишуваат. Во уредот како што е механизмот Антикитера, кој се состои од збир на ротирачки тркала, положбите на одредени тркала ги претставуваат локациите на сонцето и месечината. Секогаш можете да откриете каде се тие небесни објекти само со гледање на тркалата.
Наместо тоа, дигитална машина нема доволно точни пресликувања, но ги претвора сите информации во броеви, како што се координатите на сонцето и месечината и извршува пресметки на овие броеви за да ја мапира нивната промена. Работејќи врз основа на бројки, без оглед на тоа како работи самата физичка опрема, дигиталните компјутери можат да бидат исклучително разноврсни.
Клучна карактеристика на дигиталните компјутери е употребата на бинарни цифри, исто така позната како битови, кои ги претставуваат сите податоци обработени или зачувани како низа од 0 и 1. Во првите дигитални компјутери, информациите беа зачувани и внесени преку пробиени картички со дупки, кои претставуваа 0 и цврсти картички, што претставува 1. За самата пресметка, компјутерите ги читаат информациите и ги преведуваат на кола опремени со транзистори способни да се префрлаат помеѓу две состојби, односно насочување на една или друга струја. Обработката на податоци тогаш вклучува следење на програма што фрла точен сет на прекинувачи во секоја фаза од пресметката.
Недостаток на зачувување на податоци во форма на бинарни цифри би бил тоа што вредностите на променливите веќе не се континуирани. Додека индикаторот за копче може да ротира совршено низ сите броеви помеѓу 4 и 5, основниот дигитален компјутер може да скокне од 4,1 на 4,2, без да може да ги претставува вредностите меѓу нив. Додавањето повеќе битови може да ги направи празнините помеѓу броевите помали и помали, но фактот дека тие треба да направат скокови со одредена големина е неизбежен. Ова не мора да значи намалување на точноста.
Првиот програмиран дигитален компјутер со општа намена беше Електронски нумерички интегратор и компјутер (ЕНИАЦ), воведен во 1946 година. Имаше големина на камера и се програмираа со денови, но беше значително помоќен од кој било друг компјутер што се појавил. порано. Аналогните пристапи постојат веќе некое време, но беа само чудна меморија сè до 80-тите години на минатиот век.
Сепак, дури и денес светот не е толку дигитален како што изгледа. „Физичкиот свет е аналоген“, вели Јанис Цивидис од Универзитетот Колумбија во Newујорк. Аналогната технологија е сè уште околу нас. Електромагнетни радио сигнали. што нашите паметни телефони ги користат за да комуницираат едни со други се аналогни, барајќи аналогни-дигитални конвертори да им овозможат на дигиталната електроника на телефонот да ги обработува.
Аналогниот не е корисен само за промена на податоците од едно на друго место. Постојат ситуации во кои овие технологии се докажуваат супериорни во однос на дигиталните, во обработката на податоците. Клучна област се однесува на видовите равенки што се користат за било што, од моделирање на ефектите на нивото на хормоните во телото до разбирање на однесувањето на честичките. Овие диференцијални и интегрални равенки се математички изрази во кои величините се во корелација во однос на нивната брзина на промена, наместо на нивните вредности. Нивниот дигитален пристап вклучува пресметување и зачувување на вредноста на секоја точка, заедно со функција, која се однесува на две променливи, кои потоа вршат пресметки на тие зачувани вредности. Наместо тоа, аналоген компјутер може да работи истовремено на целата функција.
Еден начин да го направите ова би била да се искористат математиките што управуваат со самите електрични кола. Вредностите како што се електрична енергија, оптоварување и електричен капацитет се поврзани со стапките на промена на нивните вредности. Ова значи дека тие се вклопуваат во диференцијални равенки, дозволувајќи им на електричните кола да служат како аналози за сите други системи управувани од вакви математички изрази. Затоа, Цивидис и неговите колеги ги користеа овие типови елементи на колото за да развијат аналогни електрични чипови.
За разлика од аналогните компјутери во 1940-тите и 1950-тите, со нивните пробиени картички и примитивните жици, овие чипови имаат корист од сите исти достигнувања во истражувањето на полупроводници што ги направи дигиталните компјутери помали и побрзи. Овие нови аналогни чипови можат да се поврзат едни со други, како и со конвенционалните дигитални компјутери, и што е најважно, тие можат да решат одредени проблеми побрзо и поефикасно од нивните дигитални колеги. На пример, за дигитално множење на две осумцифрени бинарни вредности би биле потребни околу 3.000 транзистори, но на аналоген компјутер ќе му требаат најмногу осум.
„Се чини дека луѓето не размислуваа за аналогни компјутери во контекст на модерната технологија“, вели Цивидис. „Ние направивме, и работите изгледаа многу ветувачки“.
Не само што електрониката е корисна за аналогни компјутери. Истражувачите сега се свртуваат кон светлосните зраци, особено поради можноста за супер брз пренос на податоци. Оптичката технологија нуди и други предности. Кога ставате предмети на патот на светлината, добивате ефекти кои обезбедуваат физички аналог за широк спектар на феномени.
Надер Енгета, од Универзитетот во Пенсилванија и неговите колеги, покажаа дека брзата оптичка аналогна пресметка може да се постигне со употреба на интеракции помеѓу светлината и материјата. Тие користеле комплексна структура позната како „метаматеријал“ за промена на патот на светлината за да можат да ги решат интегралните равенки. Нивниот прототип е дизајниран да работи на долги бранови должини на микробранова радијација. Идните повторувања би можеле да го сторат ова на оптичко зрачење или пократки бранови должини, дозволувајќи им на структурата илјада пати помала и побрза.
Обука за мозок
Влијателен поддржувач на аналогните пресметки, чии претставници инвестираат во иновативна технологија, е Агенцијата за истражување на проекти за напредна одбрана на САД (DARPA). Во 2016 година, DARPA бараше модели за аналогни, хибридни аналогни или дигитални уреди кои можат да понудат можности на супер компјутер во десктоп уред. Ветувачката идеја што произлезе од таа шема беше околу електронските уреди наречени „мемстристи“.
Секој пат кога електрична струја поминува низ коло, таа се соочува со отпор. Во мемистор, овој отпорник го менува својот одговор од претходната употреба, а променетата состојба на отпор се одржува кога колото е исклучено, што значи дека има меморија. Ова е корисно за складирање на немоќни податоци, но исто така и за научници кои работат на невроморфна пресметка, во која се користат електронски кола за имитирање на функцијата на мозокот.
Моќта на врските или синапсите помеѓу мозочните неврони станува посилна кога повеќе сигнали поминуваат низ нив и ослабуваат само ако сигналите станат ретки, давајќи им функции на учење слични на мускулната меморија. Оваа поврзаност што постојано се менува, тешко е да се реплицира со дигиталната технологија, затоа што и треба напојување за да се вклучи или исклучи. Така мемисторите се сметаат за привлечна основа за невроморфна пресметка.
Не се сите убедени во ова. „Гледам некои маргинални предности на аналогните кола за невроморфни имплементации, но овие придобивки имаат многу висока цена, што генерално не вреди да се плаќа“, вели Мајк Дејвис, директор на компјутерската лабораторија „Неуроморф“ на Интел.
„Методите за дигитален дизајн ги оптимизираат клучните фигури кои се важни, имено: точност, моќност, брзина и чип чип, на начини на кои не се вклопуваат аналогните пристапи.
Малкумина тврдат дека дигиталната, генерално, победи во однос на точноста. „Овие аналогни уреди и системи имитираат реални системи за обработка на нервите“, вели iaакомо Индивери од Швајцарскиот федерален институт за технологија во Цирих.
„Како такви, тие се бучни, неточни и несигурни. Индивери е поддржувач на комбинирање на аналогни со дигитални технологии за да се добие најдоброто од двете. Неговиот став е дека биолошките системи на неточна нервна обработка компензираат преку софистицирани механизми за повратни информации за адаптација, учење и пластичност. Исто така, правилно дизајнираните невроморфни уреди и алгоритми може да имаат корист од овој надомест.
Ова може да има огромни импликации за компјутерската моќ и брзина. Технолошкиот гигант IBM Blue Gene, во 2011 година, беше еден од најмоќните во светот во однос на суперкомпјутерите. Компанијата сè уште се обидува да симулира милијарди неврони и синапси во мозокот на мачката, трошејќи доволно енергија за одржување на илјада домови.
Мемористорските уреди не само што можат да бидат покомпактни, туку имаат шанса да одговараат на енергетската ефикасност на мозокот, давајќи ги истите резултати на илјада сили. Се повеќе и повеќе предмети, од паметни фрижидери до детски играчки, се опремени со компјутерска моќ. Поединци веруваат дека хибридните технологии кои избираат аналогни како варијанта, како начин за напојување на овие уреди, стануваат поефикасни.
IBM има тимови посветени на аналогната иновација за вештачката интелигенција. Еден од истражувачите на компанијата, Хсину Цаи, истакнува дека ваквите аналогни уреди веќе се наоѓаат во секојдневната технологија. „Аналогните пристапи одговараат на денешните апликации за вештачка интелигенција, каде моделите се состојат од голем број пресметки, но бараат само ограничена нумеричка точност“, вели Цаи.
Пред две илјади години, механизмот Антикитера потона на дното на морето. По сето ова време, можеби само што ја разбравме вистинската моќ на неговото аналогно наследство.