Гибридные схемы могут увеличить вычислительную мощность систем, основанных на хаосе

Новое исследование Университета штата Северная Каролина показало, что объединение цифровых и аналоговых компонентов в нелинейных, основанных на хаосе интегральных схемах может улучшить их вычислительную мощность, позволяя обрабатывать большее количество входных данных. Этот подход «лучшего из обоих миров» может привести к созданию схем, способных выполнять больше вычислений без увеличения их физического размера.

Ученые-компьютерщики и дизайнеры изо всех сил стараются следовать закону Мура, который гласит, что количество транзисторов в интегральной схеме будет удваиваться каждые два года, чтобы удовлетворить потребности обработки данных. Они быстро достигают пределов физики с точки зрения размера транзисторов – невозможно продолжать сжимать транзисторы, чтобы уместить больше на кристалле.

Основанный на хаосе, нелинейный схемы были предложены в качестве решения проблемы, поскольку одна схема может выполнять несколько вычислений вместо нынешней конструкции «одна схема, одна задача». Однако количество входных данных, которые могут быть обработаны в хаотических вычислениях, ограничено окружающий шум, что снижает точность. Окружающий шум относится к случайным колебаниям сигнала, которые могут быть вызваны изменениями температуры, колебаниями напряжения или дефектами полупроводников.

«Шум всегда был большой проблемой практически во всех инженерных приложениях, включая вычислительные устройства и средства связи», — говорит Вивек Кохар, научный сотрудник штата Северная Каролина и ведущий автор статьи, описывающей эту работу. «Наша система нелинейна, поэтому шум может быть еще более проблематичным».

Чтобы решить эту проблему, исследователи создали гибридную систему, которая использует цифровой блок вентилей И и аналоговую нелинейную схему для распределения вычислений между цифровым и аналоговые схемы. Результатом является экспоненциальное сокращение времени вычислений, а это означает, что выходные данные можно измерить, пока отклонения, вызванные шумом, все еще малы. Короче говоря, вычисления выполняются настолько быстро, что шум не успевает повлиять на их точность.

Чтобы еще больше повысить точность, предложенное Кохаром и его коллегами решение объединяет несколько систем. Эта связь обеспечивает защиту, которая снижает влияние отклонений, вызванных шумом, на конечном этапе.

«Подумайте об альпинизме», — говорит Кохар. «Альпинисты могут подниматься индивидуально, но если кто-то из них поскользнется, он/она может столкнуться с опасным падением. Поэтому они используют веревки, чтобы соединить их друг с другом. Если один поскользнется, остальные предотвратят его падение. Наша система чем-то похожа на эту, где все системы постоянно связаны друг с другом.

«Системы настроены таким образом, что в момент измерения наши система находится в максимумах или минимумах – точках, где воздействие шума в целом невелико и намного ниже, если системы связаны. Возвращаясь снова к примеру с альпинизмом, это означает, что мы берем средние значения альпинистов, когда они находятся в местах отдыха, таких как вершина или в долине, где расстояния между ними наименьшие».

Исследование появляется в Применена физическая проверка.