Kitajski znanstveniki so razvili čip, ki lahko izvaja izračune 1000-krat hitreje kot najnaprednejši čip trenutnega vodilnega na trgu umetne inteligence, Nvidia, pri čemer porabi veliko manj energije. To je izjemen dosežek sam po sebi, vendar je resnično presenetljivo, da ne gre za digitalni čip – ki komunicira v binarnem jeziku –, ampak za analogni čip, kar je bilo do zdaj nemogoče. Glede na rezultate njihove študije – ki so jo pregledali strokovnjaki in objavili v prestižni zahodni znanstveni reviji Nature electronics – ima njihov izum natančnost in prilagodljivost, potrebni za revolucijo v sodobni tehnologiji.
Razlika med analognim in digitalnim računalništvom je bistvena za razumevanje pomena tega napredka. Digitalni računalnik deluje kot stikalo za luč: razume le dva stanja, vklopljeno (1) ali izklopljeno (0). Vse informacije se zreducirajo na to preprosto dualnost. Analogni računalnik pa je kot regulator intenzivnosti: za prikaz informacij uporablja neprekinjeno spektro vrednosti. Ta ideja ni nova. Mehanizem iz Antikythera, astronomski kalkulator iz antične Grčije, je najstarejši znani primer. Vendar je bilo analogno računalništvo zaradi nepremostljivega problema, tj. pomanjkanja natančnosti, potisnjeno v kategorijo zastarele tehnologije.
Ekipa Univerze v Pekingu je rešila tisto, kar avtor, profesor Sun Zhong, opisuje kot „problem, ki je stoletje begal svetovno znanstveno skupnost“. Njihov napredek temelji na hibridnem pristopu, ki uporablja rezistivne pomnilnike z naključnim dostopom (RRAM, vrsta pomnilnika, ki shranjuje podatke s spreminjanjem električnega upora materiala) in iterativni algoritem za reševanje kompleksnih matričnih enačb. Z izvajanjem izračunov neposredno v pomnilniku čip preprečuje ozko grlo tradicionalne računalniške arhitekture, kjer morajo podatki nenehno potovati med procesorjem in pomnilnikom, kar je počasen proces, ki porabi ogromno energije.
Kaj je in kako deluje
Srce te nove naprave je rezistivni pomnilniški čip. Za razliko od digitalnega pomnilnika, ki shranjuje ničle in enice, celica pomnilnika RRAM deluje tako, da spreminja svoj električni upor na določeno raven. Predstavljajte si, da lahko natančno nastavite upor materiala, kot da bi bil struna kitare, da predstavlja natančno številčno vrednost. Raziskovalci so uspeli zanesljivo programirati osem različnih ravni prevodnosti – lahkotnost, s katero material prepušča električni tok, tj. nasprotno od upora – v vsaki celici, kar ustreza ločljivosti 3 bitov.
Prava moč tega čipa se pokaže pri reševanju matričnih enačb – niza matematičnih operacij, ki so bistvene za umetno inteligenco – matematične osnove umetne inteligence, znanstvene simulacije in obdelave signalov. Digitalni računalnik te probleme rešuje zaporedno, pri čemer izvaja milijarde operacij korak za korakom. Analogni čip pa matriko številk pretvori v fizično matriko električnih upornosti. Z uporabo napetosti vezje reši enačbo skoraj takoj, zahvaljujoč zakonom fizike, in izvede množenje matrike in vektorja v enem samem koraku.
Ključ za premagovanje zgodovinskega problema analogne natančnosti je iznajdljiv iterativni algoritem. Postopek združuje dve povsem analogni operaciji: nizko natančno inverzijo matrike in visoko natančno množenje matrike in vektorja. Sistem najprej opravi hiter, vendar približni izračun, da dobi začetno rešitev. Nato uporabi operacijo visoke natančnosti, da v zaporednih ciklih izboljša rezultat in popravi napako, dokler ne doseže želeno natančnost. Kot avtorji navajajo v svoji študiji, »je natančnost že dolgo časa glavno ozko grlo analognega računalništva«. Ta metoda to ozko grlo premaga.
Da bi dosegel visoko natančnost, primerljivo z digitalnimi sistemi, čip uporablja tehniko, znano kot »bit-slicing«: visoko natančno število (na primer 24-bitno) se razčleni na več nizko natančnih delov (3-bitnih), ki jih lahko obdelujejo RRAM-celice. Delni rezultati se ponovno združijo, da se dobi končna rešitev z visoko natančnostjo. Za skalabilnost – sposobnost sistema, da učinkovito obdeluje vedno večje probleme – so znanstveniki uporabili algoritem BlockAMC, ki veliko matriko razdeli na manjše bloke, ki jih čip lahko obdeluje na razdeljen način. V svojih poskusih so rešili matriko 16×16 z natančnostjo 24 bitov, kar je primerljivo z nivojem 32-bitnih digitalnih procesorjev (FP32).
Primer dejanske uporabe
Da bi dokazali zmogljivost svojega izuma, ga je ekipa uporabila za zaznavanje signalov v komunikacijskem sistemu Massive MIMO – brezžični tehnologiji, ki uporablja veliko število anten za izboljšanje hitrosti in kakovosti povezave – ključni za omrežja 5G in 6G. Ta naloga zahteva ogromno računsko zmogljivost za realnočasno obdelavo signalov, ki potujejo med več antenami bazne postaje in napravami uporabnikov. Analogni čip je bil sposoben opraviti to nalogo v sistemu 128 anten z visoko gostoto modulacije – procesom pretvarjanja digitalnih podatkov v analogne signale za prenos – tipa 256-QAM, pri čemer je dosegel enako zmogljivost kot digitalni procesor FP32 v samo treh ciklih iteracije. Po dveh ciklih je bila slika, posredovana za test, popolnoma zvesto rekonstruirana.
Posledice tega napredka so globoke. Po lastnih ocenah ekipe bi njihov pristop lahko ponudil „1000-krat večjo zmogljivost in 100-krat boljšo energetsko učinkovitost kot najnovejši digitalni procesorji za enako natančnost“. Čeprav še vedno obstajajo izzivi pri proizvodnji velikih inverznih vezij na enem samem čipu, raziskovalci ugotavljajo, da njihov sistem kaže izvedljivo pot. Praktična prihodnost vključuje integracijo teh modulov v namenske čipe za pospešitev specifičnih nalog v podatkovnih centrih, superračunalnikih in napravah za umetno inteligenco, kar odpira novo ero računalništva.
