Теперь команда исследователей из Технологического института Джорджии и Университета Нотр-Дам создала новую вычислительную систему, которая призвана решить одну из самых сложных проблем в области вычислений в кратчайшие сроки.«Мы хотели найти способ решить проблему без использования обычных двоичных представлений, которые были основой вычислений на протяжении десятилетий», — сказал Ариджит Райчоудхури, доцент Школы электротехники и компьютерной инженерии Технологического института Джорджии.
В их новой системе используется сеть электронных осцилляторов для решения задач раскраски графов — типа проблемы, которая имеет тенденцию задушить современные компьютеры.Подробности исследования были опубликованы 19 апреля в журнале Scientific Reports.
Исследование проводилось при поддержке Национального научного фонда, Управления военно-морских исследований, Корпорации полупроводниковых исследований и Центра технологий систем с низким энергопотреблением.«Сегодня приложениям требуются все более быстрые и быстрые компьютеры для решения таких задач, как распределение ресурсов, машинное обучение и анализ структуры белков — проблемы, которые по своей сути тесно связаны с раскраской графов», — сказал Рейчоудхури. «Но по большей части мы достигли ограничений современных цифровых компьютерных процессоров. Некоторые из этих проблем, которые настолько сложны в вычислительном отношении, что на решение компьютеру может потребоваться несколько недель».Проблема раскраски графа начинается с графа — визуального представления набора объектов, связанных каким-либо образом.
Чтобы решить эту проблему, каждому объекту должен быть назначен цвет, но два напрямую соединенных объекта не могут иметь один и тот же цвет. Обычно цель состоит в том, чтобы раскрасить все объекты на графике наименьшим количеством разных цветов.
При разработке системы, отличной от традиционных вычислений на основе транзисторов, исследователи исходили из человеческого мозга, где обработка данных осуществляется коллективно, например, нейронной колебательной сети, а не с помощью центрального процессора.«Это представление о том, что коллективные вычисления обладают огромной силой», — сказал Суман Датта, профессор Чанг Семейного инженерного колледжа Нотр-Дам и один из соавторов исследования. «В естественных формах вычислений динамические системы со сложными взаимозависимостями быстро развиваются и решают сложные системы уравнений массовым параллелизмом».Было обнаружено, что электронные генераторы, изготовленные из диоксида ванадия, обладают естественной способностью, которая может быть использована для задач окраски графов. Когда группа осцилляторов была электрически соединена через емкостные связи, они автоматически синхронизировались с одной и той же частотой — колебались с одинаковой скоростью.
Между тем, генераторы, напрямую подключенные друг к другу, будут работать на разных фазах в пределах одной и той же частоты, а генераторы в одной и той же группе, но не подключенные напрямую, будут синхронизироваться как по частоте, так и по фазе.«Если вы предположите, что каждая фаза представляет свой цвет, эта система по существу имитировала естественное решение проблемы раскраски графа», — сказал Рейчоудхури, который также является младшим профессором ON Semiconductor в Технологическом институте Джорджии.Исследователям удалось создать небольшую сеть осцилляторов для решения задач раскраски графов с тем же количеством объектов, которые также называются узлами или вершинами. Но что еще более важно, новая система теоретически доказала, что существует связь между раскраской графа и естественной динамикой связанных колебательных систем.
«Это важный шаг, потому что мы можем доказать, почему это происходит, и что он охватывает все возможные экземпляры графиков», — сказал Рейчоудхури. «Это открывает новый способ перформативных вычислений и построения новых вычислительных моделей. Это новинка в том смысле, что это основанный на физике вычислительный подход, но он также предоставляет заманчивые возможности для создания других настраиваемых аналоговых систем для эффективного решения сложных задач».
Это может быть полезно для ряда компаний, которым нужны компьютеры для оптимизации своих ресурсов, например для энергокомпании, стремящейся максимизировать эффективность и использование обширной электрической сети при определенных ограничениях.«Эта работа предоставляет один из первых конструктивных способов создания решателей динамических систем с непрерывным временем для задачи комбинаторной оптимизации с рабочей демонстрацией с использованием компактных масштабируемых пост-CMOS устройств», — сказал Абхинав Парихар, студент Технологического института Джорджии, который работал над проектом.
Следующим шагом было бы создание более крупной сети осцилляторов, которая могла бы решать проблемы раскраски графов с большим количеством объектов в игре.«Наша цель — создать систему с сотнями осцилляторов, которая поставила бы нас на далекие расстояния от разработки вычислительной основы, которая могла бы решать задачи раскраски графов, оптимальные решения которых еще не известны человечеству», — сказал Датта.