MIÉRT VÉLHETE A RÉGI TECHNOLÓGIA A DIGITÁLIS SZÁMÍTÁS JÖVŐJÉT
Everett Történelmi Gyűjtemény
Fél évszázaddal ezelőtt elhagyták az analóg számítógépeket, de a modern eszközök határain túllépve itt lehet az ideje a múlt "robbanásának".
Az ékszerszállítmányok és az ókori görög hajótörésből kiszabadított szobor közepén egy rozsdásodott fa- és bronzkupac állt, amely megragadhatta a világ képzeletét. A Földközi-tengerből 1901-ben kinyert Antikythera mechanizmus 2000 évvel ezelőtt nagyon kifinomult számítógép volt. A cipődoboz méretű, bronz szerszámokkal, amelyek háromszög alakú fogak százait fogják össze, az égitestek útvonalainak nyomon követésére építették, és összeadást, szorzást, kivonást és osztást tudott végezni, mindezt egy fogantyú manőverezésével.
Csaknem fél évszázad kellett ahhoz, hogy e mechanizmus jelentősége nyilvánvalóvá váljon. Addig a világ kifejlesztett egy új számítógépes technológiát, nevezetesen: a digitális számítógépeket, amelyeket ma használunk, villamos energiával működtetve, nem pedig kézi hajtókarral. Ezek hatalmas előrelépést jelentettek, és elég gyorsnak és erősnek bizonyultak a modern vonal fenntartásához.
A digitális számítógépek azonban nem mindig a legjobb eszközök. Például a modern tudomány határán alkalmazott matematika nagy része kellemetlenül átalakul a digitális technológiába, ahol bizonyos egyenleteket nehéz megoldani. Az új megközelítések egyre inkább keresettek a mesterséges intelligencia tervezésében, ahol a digitális számítógépek az emberi agy bonyolult folyamatait igyekeznek utánozni. Ezért a legújabb hardver gyakran túl drága és nem hatékony ezen a területen.
A mechanikus eszközök valószínűleg nem jelentenek választ a problémákra, de a mai kihívásoknak való jobb megfelelés érdekében a számítógépeket fejlesztő kutatók olyan analóg technikákat keresnek, amelyek jobban hasonlítanak az Antikythera mechanizmushoz, mint a mai hagyományos számítógépekhez. A számítástechnika jövőjének megmentéséhez szükségünk lehet a múltból származó kinyilatkoztatásra.
Ahogy a neve is sugallja, az analóg számítógépek az általuk leírt rendszer fizikai analógját képesek biztosítani. Egy olyan eszközben, mint az Antikythera mechanizmus, amely forgó kerekekből áll, egyes kerekek helyzete a nap és a hold helyét jelöli. A kerekekre pillantva mindig meg tudja mondani, hogy hol vannak ezek az égi tárgyak.
Ehelyett egy digitális gépnek nincs elegendő ilyen pontos leképezése, de minden információt számokká alakít, például a nap és a hold koordinátáit, és ezeken a számokon számításokat végez a változásuk feltérképezéséhez. Számok alapján működtetve, függetlenül a fizikai berendezések működésétől, a digitális számítástechnika rendkívül sokoldalú lehet.
A digitális számítógépek egyik fő jellemzője a bináris számjegyek, más néven bitek használata, amelyek minden feldolgozott vagy 0 és 1 karakterláncként tárolt adatot ábrázolnak. Az első digitális számítógépekben információkat lyukasztókártyákkal tároltak és vezettek be lyukak, 0 és szilárd kártyák, amelyek 1. Az aktuális számításhoz a számítógépek elolvassák az információkat, és átalakítják azokat olyan áramkörökbe, amelyek tranzisztorokkal vannak felszerelve, amelyek képesek két állapot közötti váltásra, vagyis egyik vagy másik áram irányítására. Az adatfeldolgozás ezt követi egy olyan program követését, amely a számítás minden szakaszában a megfelelő kapcsolókészletet dobja meg.
Az adatok bináris számjegyek formájában történő tárolásának hátránya, hogy a változók értékei már nem folyamatosak. Míg egy gomb jelzője tökéletesen képes forgatni az összes számot a 4 és 5 között, egy alapvető digitális számítógép átugorhat 4.1-ről 4.2-re, anélkül, hogy képes lenne ábrázolni a közöttük lévő értékeket. További bitek hozzáadásával egyre kisebbek lehetnek a számok közötti rések, de elkerülhetetlen az a tény, hogy bizonyos méretű ugrásokat kell végrehajtaniuk. Ez nem feltétlenül jelenti a pontosság csökkenését.
Az első általános célú programozható digitális számítógép az 1946-ban bevezetett Elektronikus Numerikus Integrátor és Számítógép (ENIAC) volt. Akkora volt, mint egy kamera, programozása napokig tartott, de jelentősen erősebb volt, mint bármely más megjelenő számítógép. előtt. Az analóg megközelítések egy ideje léteznek, de csak furcsa emlékek voltak azok az 1980-as évekig.
A világ azonban még ma sem olyan digitális, mint amilyennek látszik. "A fizikai világ analóg" - mondja Yannis Tsividis, a New York-i Columbia Egyetemről. Az analóg technológia még mindig körülöttünk van. Elektromágneses rádiójelek. hogy okostelefonjaink egymással való kommunikációhoz analógak, és analóg-digitális átalakítókra van szükségük ahhoz, hogy a telefon digitális elektronikája feldolgozhassa őket.
Az analóg nemcsak az adatok egyik helyről a másikra történő megváltoztatására hasznos. Vannak olyan helyzetek, amikor ezek a technológiák jobbnak bizonyulnak a digitális technológiáknál az adatfeldolgozás terén. Egy kulcsfontosságú terület azokra az egyenlettípusokra vonatkozik, amelyek a test hormonszintjének hatásainak modellezésétől a részecskék viselkedésének megértéséig bármire használhatók. Ezek a differenciál- és integrálegyenletek matematikai kifejezések, amelyekben a mennyiségek a változási sebességük, nem pedig az értékeik alapján korrelálnak. Digitális megközelítésük magában foglalja az egyes pontok értékének kiszámítását és tárolását egy függvény mentén, amely két változóra utal, amelyek ezután elvégzik a számításokat ezeken a tárolt értékeken. Ehelyett egy analóg számítógép egyszerre futtathatja a teljes funkciót.
Ennek egyik módja az lenne, ha kamatoztatná a matematikát, amely az elektromos áramköröket szabályozza. Az olyan értékek, mint a villamos energia, a terhelés és az elektromos kapacitás, összefüggenek értékeik változásának sebességével. Ez azt jelenti, hogy illesztik a differenciálegyenleteket, így az elektromos áramkörök analógként szolgálhatnak az összes többi matematikai kifejezés által szabályozott rendszerhez. Ezért Tsividis és munkatársai az ilyen típusú áramköri elemeket használták analóg elektromos chipek kifejlesztésére.
Az 1940-es és 50-es évek analóg számítógépeitől eltérően, lyukasztott kártyáikkal és primitív vezetékeikkel, ezek a lapkák a félvezetői kutatás ugyanazon előrelépéseiből származnak, amelyek a digitális számítógépeket kisebbé és gyorsabbá tették. Ezek az új analóg chipek csatlakozhatnak egymáshoz, akárcsak a hagyományos digitális számítógépekhez, és ami a legfontosabb: bizonyos problémákat gyorsabban és hatékonyabban tudnak megoldani, mint digitális társaik. Például két nyolcjegyű bináris érték digitális szorzásához körülbelül 3000 tranzisztor szükséges, de egy analóg számítógéphez legfeljebb nyolc tranzisztor szükséges.
"Úgy tűnik, hogy az emberek nem vették figyelembe az analóg számítást a modern technológia összefüggésében" - mondja Tsividis. - Megtettük, és a dolgok nagyon ígéretesnek tűntek.
Az elektronika nemcsak az analóg számítástechnikához hasznos. A kutatók most a fénysugarak felé fordulnak, különösen a szupergyors adatátvitel lehetősége miatt. Az optikai technológia további előnyöket kínál. Amikor tárgyakat helyez a fény útjába, olyan hatásokat kap, amelyek fizikai analógot biztosítanak a jelenségek széles skálájához.
Nader Engheta, a Pennsylvaniai Egyetem munkatársai és munkatársai kimutatták, hogy a fény és az anyag kölcsönhatásával gyors optikai analóg számítás érhető el. "Metamaterial" néven ismert összetett szerkezetet használtak a fény útjának megváltoztatására, hogy integrálegyenleteket oldhassanak meg. Prototípusukat úgy tervezték, hogy hosszú hullámhosszú mikrohullámú sugárzással működjön. A jövőbeli iterációk ezt optikai sugárzáson vagy rövidebb hullámhosszakon tehetik meg, lehetővé téve a szerkezet ezerszer kisebb és gyorsabbá tételét.
Agyképzés
Az analóg számítások befolyásos támogatója, amelynek képviselői innovatív technológiába fektetnek be, az Egyesült Államok Fejlett Védelmi Projekt Kutató Ügynöksége (DARPA). 2016-ban a DARPA olyan analóg, hibrid analóg vagy digitális eszközök modelljeit kereste, amelyek egy szuper számítógép képességeit kínálhatják egy asztali eszközön. Az ígéretes ötlet, amely ebből a sémából származott, az "emlékezőknek" nevezett elektronikus eszközök körül volt.
Valahányszor egy elektromos áram áthalad egy áramkörön, ellenállásba ütközik. Egy memristorban ez az ellenállás megváltoztatja a korábbi használatához adott válaszát, és a módosított ellenállás állapota fennmarad, amikor az áramkört kikapcsolják, ami azt jelenti, hogy van memóriája. Ez hasznos az erőtlen adatok tárolásához, de a neuromorf számítással foglalkozó tudósok számára is, amelyekben elektronikus áramköröket használnak az agy működésének utánzására.
Az agyi idegsejtek közötti kapcsolatok vagy szinapszisok ereje erősebbé válik, mivel több jel halad át rajtuk, és csak akkor gyengül, ha a jelek ritkák, és izommemória-szerű tanulási funkciókat adnak nekik. Ezt az állandóan változó kapcsolatot nehéz megismételni a digitális technológiával, mert áramellátásra van szükség a be- vagy kikapcsoláshoz. Így. a memristorokat vonzó alapnak tekintik a neuromorf számításhoz.
Nem mindenki van meggyőződve erről. "Úgy látom, hogy az analóg áramköröknek vannak marginális előnyei a neuromorf megvalósításokhoz, de ezek az előnyök nagyon magas költségekkel járnak, amiért általában nem érdemes fizetni" - mondja Mike Davies, az Intel Neuromorph számítástechnikai laboratóriumának igazgatója.
"A digitális tervezési módszerek optimalizálják a fontos számadatokat, nevezetesen a pontosságot, az energiát, a sebességet és a chip költségét oly módon, hogy az analóg megközelítések ne illeszkedjenek."
Kevesen állítják, hogy a digitális általában nyer a pontosság szempontjából. "Ezek az analóg eszközök és rendszerek utánozzák a valódi idegfeldolgozó rendszereket" - mondja Giacomo Indiveri, a svájci Zürichi Szövetségi Technológiai Intézet munkatársa.
"Mint ilyenek, zajosak, pontatlanok és bizonytalanok." Az Indiveri támogatja az analóg és a digitális technológiák ötvözését, hogy mindkettőből a lehető legtöbbet hozza ki. Véleménye szerint a pontatlan idegfeldolgozás biológiai rendszerei az alkalmazkodás, a tanulás és a plaszticitás kifinomult visszacsatolási mechanizmusai révén kompenzálnak. A megfelelően megtervezett neuromorf eszközök és algoritmusok is profitálhatnak ebből a kompenzációból.
Ennek óriási következményei lehetnek a számítási teljesítményre és sebességre. Az IBM Blue Gene technológiai óriás 2011-ben a világ egyik legerősebbje volt a szuperszámítógépek szempontjából. A vállalat továbbra is neuronok és szinapszisok milliárdjainak szimulálására törekszik a macska agyában, elegendő energiát fogyasztva ezer otthon fenntartásához.
A Memristor készülékek nem csak kompaktabbak, de esélyük van arra, hogy megfeleljenek az agy energiahatékonyságának, és ugyanazokat az eredményeket adják ezer erővel. Az intelligens hűtőszekrényektől kezdve a gyermekjátékokon át egyre több elem van felszerelve számítási erővel. Az egyének úgy vélik, hogy azok a hibrid technológiák, amelyek az analógot választják változatként, ezen eszközök áramellátásának módjaként, hatékonyabbá válnak.
Az IBM-nek olyan csoportjai vannak, amelyek a mesterséges intelligencia analóg innovációjára irányulnak. A vállalat egyik kutatója, Hsinyu Tsai rámutat, hogy ilyen analóg eszközök már megtalálhatók a mindennapi technológiában. "Az analóg megközelítések megfelelnek a mai mesterséges intelligencia alkalmazásoknak, ahol a modellek nagyszámú számításból állnak, de csak korlátozott numerikus pontosságot igényelnek" - mondja Tsai.
Kétezer évvel ezelőtt az Antikythera mechanizmus a tenger fenekére süllyedt. Ennyi idő után talán éppen most értettük meg analóg örökségének valódi erejét.