Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
4.6. Вероятностный компьютер
Новый процессор на физическом уровне оперирует не только нулями и единицами, а вероятностями того, что тот или иной бит равен 0 или 1. Бинарная логика уступила место иным правилам, и это оказывается выгодным способом вычислений в целом ряде областей. Процессор новой архитектуры в 30 раз меньше существующих процессоров по площади, потребляет в 12 раз меньше электроэнергии и в 4 раза лучше по пропускной способности, чем его функциональный аналог традиционной конструкции. Правда, он создан под очень узкий тип задач, но более универсальный его вариант уже просматривается на чертёжах. Базовые принципы построения компьютеров, незыблемые вот уже более шестидесяти лет, пошатнулись.
Молодая американская компания Lyric Semiconductor первые четыре года после создания работала почти секретно, а теперь у неё есть, что показать публике, вышла в свет, удивив мир первым вероятностным чипом. Процессор построен на основе весьма необычных логических вентилей, названных «байесовский NAND ».
Работу над вероятностным процессором Бен Вигода, один из основателей Lyric Semiconductor, начал много лет назад в Массачусетском технологическом институте, однако воплотить свою идею в железе он смог лишь в 2006 г., когда перспективной разработкой заинтересовались американские военные. В Пентагоне посчитали, что такие чипы могут оказаться полезными в системах противоракетной обороны, выделяя вражеские боеголовки из множества объектов и случайных помех в атмосфере. В результате Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским проектам DARPA выделило 18 млн. долл., на которые и была создана компания.
Свойство, характеризующее отличие этих схем от схем NAND, которые выполняют двоичную операцию 2И–НЕ, заставляет вспомнить работы в области теории вероятностей английского математика XVIII века Томаса Байеса. Главный недостаток предложенной Байесом формулы заключался в том, что для получения более или менее точных результатов необходимо множество вычислений, поэтому о ней вспомнили только к концу восьмидесятых, когда компьютерная техника достигла уровня, позволяющего использовать её на практике. Вероятностный математический аппарат в настоящее время востребован во многих компьютерных приложениях, например в байесовской фильтрации спама. Вычисления вероятностей широко распространены на практике. Они включены во многие операции, которые происходят, например, при проверке банковских карт; они используются, когда Интернет–магазин предлагает клиенту дополнительные товары, они незаменимы, когда требуется спрогнозировать поведение финансового рынка. До сих пор задачи такого рода решались классическими двоичными компьютерами. Перевод данных операций на более глубокий физический уровень обещает значительное ускорение работы приложений. Поэтому нужен процессор, в триггерах которого входные и выходные биты представляют собой вероятности (отражённые уровнем электрического сигнала). В чём же заключаются отличия и преимущества вероятностного процессора от традиционного чипа, оперирующего с двоичной логикой? Напомним, что базовый принцип работы вычислительных систем уже на протяжении более шестидесяти лет – это закон исключения третьего булевой алгебры, который гласит, что логические переменные могут принимать только два значения: «да» или «нет», «истина» или «ложь», 1 или 0.
а б
Рис. 12. Сравнение размеров и сложности строительных блоков:
а – обычного цифрового профессора (слева) и вероятностного чипа (справа);
б – сравнение размеров целых процессоров двух этих видов,
с одинаковыми возможностями
В компании Lyric Semiconductor нашли возможность ис-пользовать при вычислениях промежуточные значения между 0 и 1. Смысл этих промежуточных значений состоит в определении степени вероятности событий либо истинности тех или иных выражений.
Но если в программном обеспечении теорема Байеса применяется уже давно, то в микропроцессорах она до последнего времени не использовалась. Инженеры компании создали такой тип транзисторных логических цепей, который может оперировать не с двоичной, а с байесовской логикой. То есть транзисторы работают в них не в режиме выключателей, а в режиме реостатов. Конструкторы перенесли вероятностные принципы вычислений на аппаратный уровень, что должно существенно ускорить выполнение операций с элементами вероятностей, чем в нынешней ситуации, когда соответствующий софт выполняется на чипах с бинарной логикой.
Определение возможности события, ранее требовавшее выполнения большой компьютерной программы, с новым процессором сводится к операции в одном или нескольких триггерах. В них обрабатываются не только исходные сигналы в виде вероятностей, но и выходные сигналы также представляют собой вероятности того, что, к примеру, две входные вероятности совпадали по величине. В сегодняшних флэш- чипах при чтении данных ошибочным оказывается примерно один бит из тысячи. С таким недостатком справляются микрочипы коррекции. Опираясь на уникальный код, записываемый каждый раз, когда данные поступают в память, они вычисляют контрольную сумму и определяют, какие биты оказались перевёрнутыми.
Однако в будущем с повышением плотности хранения данных число ошибок будет неизбежно возрастать, даже в чипах следующего поколения ошибочным может оказаться один бит на каждую сотню, из-за чего придётся усложнять микросхемы коррекции и увеличивать их площадь. При использовании традиционных технологий исправление ошибок становится узким местом на пути повышения скорости записи / чтения в твёрдотельной памяти. В будущем ради уплотнения памяти и снижения её стоимости производители полупроводниковых схем могут пойти на допущение начального уровня ошибок в 1 бит на 100. С их исправлением будет непросто справляться микрочипам традиционной архитектуры. Потребуется увеличивать их размер и сложность. Но такая задача идеально подходит вероятностному чипу. Собственно, крохотный чип, названный LEC, уже сегодня может легко вылавливать ошибки битов в количестве 1 на 100.
Хотя LEC работают на основе кардинально иных принципов, чем бинарные чипы, они полностью совместимы с обычными электронными компонентами. LEC уже готов для лицензирования, и компания надеется, что в течение двух лет такие схемы найдут себе место в смартфонах и карманных компьютерах.
Но прежде чем новинка получит массовое распространение, фирме предстоит доказать надёжность и масштабируемость своей технологии. Компания уже готова продавать лицензии на LEC с 12-месячной технической поддержкой по интеграции чипа в конкретную продукцию.
Компания уже разрабатывает следующий продукт GP5 – универсальный программируемый вероятностный процессор, образцы которого планируется представить не позже этого года. По мнению разработчиков, он будет идеальным помощником в таких областях, как поиск данных или системы расшифровки генома.
Для этого чипа разработан не только новый вид триггеров и вентилей, но и новую компьютерную архитектуру, и даже новый язык программирования (PSBL – Probability Synthesis to Bayesian Logic, то есть вероятностный синтез байесовской логики). Код, написанный на PSBL, и будет запускаться на созданном для него процессоре GP5, производительность которого должна на три порядка превышать возможности классических двоичных систем с массовой архитектурой x86.
Также в тысячу раз будет меньше мощность и стоимость комплексов, необходимых для выполнения определённого объёма вычислений из областей статистики и вероятности. В таких задачах один чип от Lyric заменит тысячу классических процессоров. Как утверждают разработчики, эта микросхема будет способна эффективно рассчитывать вероятности в любых типах приложений – от поиска в Интернете до секвенирования ДНК. Уже сегодня заявлена в тысячу раз большая производительность таких расчётов по сравнению с обычными современными x86-совместимыми системами на процессорах AMD и Intel.
Вероятностные процессоры не смогут полностью заменить традиционные двоичные, поскольку они эффективны лишь для специфических вычислений, но эти два типа микросхем способны неплохо сосуществовать в самой различной технике, существенно повышая её общую производительность.