Un nouveau circuit résout plusieurs problèmes intensifs en calcul avec une énergie minimale

Un nouveau circuit résout une myriade de problèmes intensifs en calcul avec une énergie minimale

n / a Crédit: NIST

Du modèle de ramification des nervures des feuilles à la variété des voies interconnectées qui propagent le coronavirus, la nature se développe sur des réseaux – des grilles qui relient les différents composants de systèmes complexes. Les réseaux sous-tendent des problèmes réels tels que la détermination de l’itinéraire le plus efficace pour une entreprise de camionnage pour livrer des médicaments vitaux et le calcul du plus petit nombre de mutations nécessaires pour transformer une chaîne d’ADN en une autre.

Au lieu de s’appuyer sur des logiciels pour s’attaquer à ces énigmes intensives en calcul, les chercheurs de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont adopté une approche non conventionnelle. Ils ont créé une conception pour un système matériel électronique qui reproduit directement l’architecture de nombreux types de réseaux.

Les chercheurs ont démontré que leur système matériel proposé, utilisant une technique de calcul connue sous le nom de logique de course, peut résoudre une variété d’énigmes complexes à la fois rapidement et avec une dépense d’énergie minimale. La logique de course nécessite moins d’énergie et résout les problèmes de réseau plus rapidement que les ordinateurs concurrents à usage général.

Les scientifiques, qui incluent Advait Madhavan du NIST et l’Université du Maryland à College Park et Matthew Daniels et Mark Stiles du NIST, décrivent leurs travaux dans le volume 17, numéro 3 (mai 2021) du Journal ACM sur les technologies émergentes dans les systèmes informatiques.

Une caractéristique clé de la logique de course est qu’elle encode les informations différemment d’un ordinateur standard. Les informations numériques sont généralement codées et traitées à l’aide de valeurs de bits informatiques – un « 1 » si une instruction logique est vraie et un « 0 » si elle est fausse. Lorsqu’un bit bascule sa valeur, disons de 0 à 1, cela signifie qu’une opération logique particulière a été effectuée afin de résoudre un problème mathématique.

Un nouveau circuit résout une myriade de problèmes intensifs en calcul avec une énergie minimale

Crédit: NIST

En revanche, la logique de course encode et traite les informations en les représentant sous forme de signaux temporels – le moment auquel un groupe particulier de bits informatiques passe de 0 à 1. Un grand nombre de retournements de bits est la principale cause de la grande consommation d’énergie. dans les ordinateurs standards. À cet égard, la logique de course offre un avantage car les signaux codés dans le temps n’impliquent que quelques retournements de bits soigneusement orchestrés pour traiter les informations, nécessitant beaucoup moins de puissance que les signaux codés sous forme de 0 ou de 1.

Le calcul est alors effectué en retardant certains signaux temporels par rapport à d’autres, déterminés par la physique du système étudié. Par exemple, considérons un groupe de chauffeurs de camion qui commence au point A et doit livrer les médicaments au point E le plus rapidement possible. Différents itinéraires possibles passent par trois intersections – appelez-les B, C et D. Pour déterminer l’itinéraire le plus efficace, le circuit logique de course évalue chaque segment possible du trajet, comme AB et AD. Si AB prend plus de temps à voyager que AD, que ce soit parce que le chemin est plus long ou a plus de trafic, AB se verra attribuer un temps de retard plus long. Dans la conception de l’équipe, le délai plus long est mis en œuvre en ajoutant une résistance supplémentaire au segment le plus lent.

La logique de course implique en effet une course, mais dans ce concours, tous les chauffeurs routiers conduisent initialement dans des directions différentes. Pour déterminer quel itinéraire vers la destination finale est le plus rapide, ils parcourent tous les itinéraires possibles à travers les différents points de livraison intermédiaires. Dans le nouveau circuit, les chercheurs du NIST ont inséré un groupe de signaux codés dans le temps au point de départ, chacun agissant comme un pilote différent qui accélère à travers le circuit matériel simulé de l’équipe.

Chaque fois qu’un pilote arrive à l’un de ses points de destination intermédiaires dans la course, le système de modèle envoie de nouveaux pilotes (nouveaux signaux horaires) qui se déploient dans des directions différentes vers les destinations restantes. Si un conducteur arrive à une destination où un autre conducteur a déjà été, ce conducteur abandonne, car son chemin n’est plus compétitif. Le vainqueur de la course – le premier pilote à arriver à la fin du circuit – indique la solution au casse-tête particulier que le matériel a été programmé pour résoudre.

Un nouveau circuit résout une myriade de problèmes intensifs en calcul avec une énergie minimale

Crédit: NIST

Madhavan a commencé ses travaux de pionnier sur les circuits de logique de course alors qu’il était étudiant diplômé de l’Université de Californie à Santa Barbara en 2016. Ces premiers systèmes utilisaient des circuits spécialisés et des puces en silicium qui étaient conçus pour simuler des réseaux spécifiques, tels que la manipulation d’ADN, et pouvaient donc résoudre seulement un nombre limité de problèmes liés au réseau.

Au NIST, Madhavan et ses collègues ont commencé à travailler sur des circuits de logique de course plus avancés. Les simulations menées par Madhavan, Daniels et Stiles ont montré que leur conception, qui n’a pas encore été incorporée dans un appareil fonctionnel, peut gérer une classe beaucoup plus large de réseaux, permettant à la logique de course de s’attaquer à une plus grande variété d’énigmes informatiques. Ces énigmes incluent la recherche du meilleur alignement entre deux protéines ou deux chaînes de nucléotides – les molécules qui forment les éléments constitutifs de l’ADN – et la détermination du chemin le plus court entre deux destinations dans un réseau.

« Nous avons montré comment utiliser la mémoire, qui n’a pas été utilisée dans les implémentations précédentes de la logique de course, pour créer un ordinateur temporel plus général », a déclaré Stiles. « L’intégration de la mémoire nous permettra de traiter une large classe de problèmes avec la prochaine puce logique de course que nous prévoyons de fabriquer », a-t-il ajouté.


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Plus d’information:
Advait Madhavan et al, Machines à états temporels: Utilisation de la mémoire temporelle pour assembler des calculs de graphes basés sur le temps, Journal ACM sur les technologies émergentes dans les systèmes informatiques (2021). DOI: 10.1145 / 3451214

Fourni par l’Institut national des normes et de la technologie

Citation: Un nouveau circuit résout plusieurs problèmes intensifs en calcul avec une énergie minimale (2021, 11 mai) récupéré le 11 mai 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-05-circuitry-multiple-computationally-intensive-problems.html

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