Riešenie niektorých problémov sú také náročné, že aj tie najpokročilejšie počítače potrebujú týždne, nie sekundy, aby ich spracovali.
Teraz tím výskumníkov na Georgia Institute of Technology and University of Notre Dame vytvoril nový výpočtový systém, ktorého cieľom je riešiť jeden z najťažších problémov v oblasti výpočtovej techniky za zlomok času.
"Chceli sme nájsť spôsob, ako vyriešiť problém bez toho, aby sme používali normálne binárne reprezentácie, ktoré sú základom výpočtovej techniky po celé desaťročia," povedal Arijit Raychowdhury, docent na Georgia Tech’s School of Electrical and Computer Engineering.
Ich nový systém využíva sieť elektronických oscilátorov na vyriešenie úloh farbenia grafov - typu problému, s ktorým si moderné počítače častokrát neporadia.
Podrobnosti výskumu boli zverejnené v časopise Scientific Reports. Výskum bol realizovaný s podporou National Science Foundation, the Office of Naval Research, the Semiconductor Research Corporation a Center for Low Energy Systems Technology.
"Súčasné aplikácie vyžadujú rýchlejšie a rýchlejšie počítače, ktoré pomáhajú riešiť problémy, ako je alokácia zdrojov, strojové učenie a analýza štruktúry bielkovín - problémy, ktoré v podstate súvisia s farbením grafov," povedal Raychowdhury. "Ale z veľkej časti sme už dosiahli limity moderných digitálnych počítačových procesorov. Niektoré z týchto problémov, ktoré sú tak náročné na výpočtový výkon, by takýto počítač riešil niekoľko týždňov."
Problém s sfarbením grafu začína grafom - vizuálnym zobrazením súboru objektov spojených nejakým spôsobom. Na vyriešenie problému musí byť každému objektu pridelená farba, ale dva priamo spojené objekty nemôžu zdieľať rovnakú farbu. Cieľom je zvyčajne zafarbenie všetkých objektov v grafe pomocou najmenšieho počtu rôznych farieb.
Pri navrhovaní systému odlišného od tradičných výpočtových systémov založených na tranzistoch si výskumníci zobrali inšpiráciu z ľudského mozgu, kde sa procesy spracovávajú kolektívne-paralelne, podobne ako v prípade neurónovej oscilačnej siete, a nie s centrálnym procesorom.
"Je to predstava, že v kolektívnom-paralelnom výpočte je obrovská sila," povedal Suman Datta, z College of Engineering Notre Dame a jeden z autorov štúdie. "V prírodných formách výpočtovej techniky sa dynamické systémy so zložitou vzájomnou závislosťou vyvíjajú rýchlo a riešia komplexné súbory rovníc masovo paralelným spôsobom."
Zistilo sa, že elektronické oscilátory vyrobené z oxidu vanadičného majú prirodzenú schopnosť, ktorá by sa mohla využiť pri problémoch s farbením grafov. Keď skupina oscilátorov bola elektricky prepojená prostredníctvom kapacitných prepojení, automaticky sa synchronizujú na rovnakú frekvenciu - kmitajú rovnakou frekvenciou. Oscilátory, ktoré sú navzájom priamo spojené, by fungovali v rôznych fázach v rámci tej istej frekvencie a oscilátory v rovnakej skupine, ale nie priamo spojené, by sa synchronizovali v oboch frekvenciách a fázach.
"Ak predpokladáte, že každá fáza predstavuje inú farbu, tento systém v podstate napodobňoval riešenie problému s farbením grafov," povedal Raychowdhury.
Vedci dokázali vytvoriť malú sieť oscilátorov na riešenie problémov s farbami grafov s rovnakým počtom objektov, ktoré sú tiež označované ako uzly alebo vrcholy. Ešte dôležitejšie je, že nový systém teoreticky dokázal, že existuje spojenie medzi farbením grafov a prirodzenou dynamikou spojených oscilujúcich systémov.
"Toto je kritický krok, pretože môžeme preukázať, prečo sa to deje, a že pokrýva všetky možné príklady grafov," povedal Raychowdhury. "Týmto sa otvára nový spôsob výkonného počítanie a vytváranie nových výpočtových modelov. Toto je nové v tom, že je to výpočtový prístup založený na fyzike, ale zároveň predstavuje príťažlivé príležitosti na budovanie ďalších prispôsobených analógových systémov na účinné riešenie problémov."
To by mohlo byť cenné pre rad firiem, ktorí hľadajú počítače, ktoré pomôžu optimalizovať ich zdroje, ako napríklad energetická pomôcka, ktorá chce dosiahnuť maximálnu účinnosť a využitie rozsiahlej elektrickej siete pod určitými obmedzeniami.
"Táto práca predstavuje jeden z prvých konštruktívnych spôsobov budovania dynamických systémových riešiteľov spojitého času pre kombinačný optimalizačný problém s pracovnou demonštráciou pomocou kompaktných škálovateľných zariadení post-CMOS," povedal študent na Georgia Tech Abhinav Parihar, ktorý pracoval na projekte.
Ďalším krokom by bolo vytvorenie väčšej siete oscilátorov, ktoré by mohli zvládnuť problémy s farbami grafov s viacerými objektmi v hre.
"Našim cieľom je dosiahnuť systém so stovkami oscilátorov, ktorý by nás dostal do ďaleko vo vývoji počítačového substrátu, ktorý by mohol vyriešiť problémy s farbami grafov, ktorých optimálne riešenia ešte nie sú známe ľudstvu," povedal Datta.
Citácia: Abhinav Parihar, Nikhil Shukla, Matthew Jerry, Suman Datta and Arijit Raychowdhury, “Vertex coloring of graphs via phase dynamics of coupled oscillatory networks,” (Scientific Reports, April 2017). http://dx.doi.org/10.1038/s41598-017-00825-1
Zdroj: www.news.gatech.edu
Add new comment