Science: Аналоговые вычисления дают решать сложные уравнения и экономят энергию

Группа исследователей, включая инженеров Массачусетского университета в Амхерсте, доказала, что их аналоговое вычислительное устройство под названием мемристор может выполнять сложные научные задачи, обходя ограничения цифровых вычислений.

Многие из современных важных научных вопросов — от моделирования наноразмерных материалов до крупномасштабных климатических исследований — могут быть исследованы с помощью сложных уравнений. Однако современные цифровые вычислительные системы достигают своего предела для выполнения этих вычислений с точки зрения скорости, энергопотребления и инфраструктуры.

Цянфэй Ся (Qiangfei Xia), профессор кафедры электротехники и вычислительной техники UMass Amherst и один из авторов-корреспондентов исследования, опубликованного в журнале Science, объясняет, что при существующих методах вычислений каждый раз, когда вы хотите сохранить информацию или дать компьютеру задание, требуется перемещение данных между памятью и вычислительными блоками. При выполнении сложных задач, в которых перемещаются большие объемы данных, возникает своеобразная «пробка».

Одним из способов решения этой проблемы в традиционных вычислительных системах является увеличение пропускной способности. Вместо этого Ся и его коллеги из Университета Массачусетса в Амхерсте, Университета Южной Калифорнии и производителя вычислительных технологий TetraMem Inc. внедрили вычисления in-memory с использованием аналоговой мемристорной технологии в качестве альтернативы, которая позволяет избежать этих узких мест за счет сокращения количества передач данных.

В вычислениях in-memory команда использует электрический компонент под названием мемристор — комбинацию памяти и резистора (который управляет потоком электричества в цепи). Мемристор управляет потоком электрического тока в цепи, а также «запоминает» предыдущее состояние, даже когда питание отключено, в отличие от современных компьютерных чипов на базе транзисторов, которые могут хранить информацию только при наличии питания. Мемристор может быть запрограммирован на несколько уровней сопротивления, что увеличивает плотность информации в одной ячейке.

Организованная в перекрестный массив, такая мемристорная схема выполняет аналоговые вычисления с использованием физических законов в массивно-параллельном режиме, существенно ускоряя матричные операции — наиболее часто используемые, но очень энергоемкие вычисления в нейронных сетях. Вычисления производятся в самом устройстве, вместо того чтобы перемещать данные между памятью и процессором. Используя аналогию с дорожным движением, Ся сравнивает вычисления в памяти с почти пустыми дорогами в разгар пандемии.

Вы устранили пробки, потому что почти все работали из дома, — говорит он.

Мы работаем одновременно, но отправляем только важные данные/результаты.

Ранее эти исследователи продемонстрировали, что их мемристор может выполнять низкоточные вычислительные задачи, такие как машинное обучение. Среди других применений — обработка аналоговых сигналов, радиочастотное зондирование и аппаратная безопасность.

«В этой работе мы предлагаем и демонстрируем новую архитектуру схемы и протокол программирования, которые могут эффективно представлять высокоточные числа с помощью взвешенной суммы нескольких относительно низкоточных аналоговых устройств, таких как мемристоры, со значительно меньшими затратами на схему, энергию и время ожидания по сравнению с существующими подходами к квантованию», — говорит Ся.

Прорыв в этой конкретной работе заключается в том, что мы расширяем границы, — добавляет он. Эта технология хороша не только для низкоточных вычислений нейронных сетей, но и для высокоточных научных вычислений.

В ходе демонстрации доказательной базы мемристор решал статические и изменяющиеся во времени дифференциальные уравнения, уравнения Навье-Стокса и задачи магнитогидродинамики.

Мы вышли из своей зоны комфорта, — говорит он, выходя за рамки требований низкой точности, предъявляемых к нейронным сетям для вычислений на границе, и переходя к высокоточным научным вычислениям.

Более десяти лет потребовалось команде UMass Amherst и ее соавторам, чтобы разработать подходящее мемристорное устройство и создать крупногабаритные микросхемы и компьютерные чипы для аналоговых вычислений в памяти.

Наши исследования за последнее десятилетие сделали аналоговый мемристор жизнеспособной технологией. Пришло время внедрить эту замечательную технологию в полупроводниковую промышленность, чтобы она принесла пользу широкому сообществу разработчиков аппаратного обеспечения ИИ, — заключает Ся.

Иллюстрация: Qiangfei Xia

16.03.2024


Подписаться в Telegram



Net&IT

Студенты ТИСБИ разработали проект онлайн-платформы для геймеров
Студенты ТИСБИ разработали проект онлайн-платформы для геймеров

Студенты Университета управления ТИСБИ в ...

Nature: Созданные ИИ тексты будут размечаться водяными знаками
Nature: Созданные ИИ тексты будут размечаться водяными знаками

Исследователи из лондонской лаборатории G...

Российская игра о наполеоновских войнах станет бесплатной
Российская игра о наполеоновских войнах станет бесплатной

У российской аудитории растет интерес к в

В НГУ запустили пилотный кластер суперкомпьютерного центра «Лаврентьев»
В НГУ запустили пилотный кластер суперкомпьютерного центра «Лаврентьев»

В Новосибирском государственном университете з...

Эксперты МИФИ объяснили решение Microsoft и Google о мирном атоме
Эксперты МИФИ объяснили решение Microsoft и Google о мирном атоме

Технологические корпорации всё чаще обращ...

HB&ET: Пожилые чаще молодых относятся к ИИ как к кому-то живому
HB&ET: Пожилые чаще молодых относятся к ИИ как к кому-то живому

В исследовании Имперского колледжа Лондона люд...

В МФТИ создали ПО для нефтяников и золотодобытчиков
В МФТИ создали ПО для нефтяников и золотодобытчиков

Сотрудники МФТИ предложили цифровое решение, к...

Студенты КНИТУ создали двуязычного ИИ-бота для туристов
Студенты КНИТУ создали двуязычного ИИ-бота для туристов

Студенты КНИТУ создали туристического бота с&n...

ACS Photonics: Разработаны улучшенные очки дополненной реальности
ACS Photonics: Разработаны улучшенные очки дополненной реальности

Дополненная реальность накладывает цифровые из...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Российские ученые предложили использовать вирус растений для лечения саркомы
Российские ученые предложили использовать вирус растений для лечения саркомы
Menopause: Ученые заподозрили роль эстрогена в развитии астмы
Menopause: Ученые заподозрили роль эстрогена в развитии астмы
AEM: Гибридный полупроводник позволит лучше понять спинтронику
AEM: Гибридный полупроводник позволит лучше понять спинтронику
FCoSc: Гигантские крысы поборются с незаконной торговлей дикими животными
FCoSc: Гигантские крысы поборются с незаконной торговлей дикими животными
В России разработали искусственные кости и новые методы лечения позвоночника
В России разработали искусственные кости и новые методы лечения позвоночника
TE&E: Животные потребляют алкоголь чаще, чем мы думаем
TE&E: Животные потребляют алкоголь чаще, чем мы думаем
Волнообразные упражнения со штангой: польза или вред
Волнообразные упражнения со штангой: польза или вред
JA&FC: Сорго обогащает рацион питания биоактивными соединениями
JA&FC: Сорго обогащает рацион питания биоактивными соединениями
Nature Communications: Жизнь все-таки можно повернуть назад
Nature Communications: Жизнь все-таки можно повернуть назад
МАИ: Дроны-дефектоскописты уступают человеку в точности, зато берут скоростью
МАИ: Дроны-дефектоскописты уступают человеку в точности, зато берут скоростью
EBioMedicine: Создан инструмент для выявления сепсиса у новорожденных
EBioMedicine: Создан инструмент для выявления сепсиса у новорожденных
Численное моделирование повысит эффективность 3D-печати из стали 316LSi
Численное моделирование повысит эффективность 3D-печати из стали 316LSi
Создан особо пластичный алюминиевый сплав для высокотехнологичных отраслей
Создан особо пластичный алюминиевый сплав для высокотехнологичных отраслей
Влияние цвета в архитектуре на самоконтроль человека: мнение эксперта МХПИ
Влияние цвета в архитектуре на самоконтроль человека: мнение эксперта МХПИ
Томские ученые представили цифровое решение для оптимизации НПЗ
Томские ученые представили цифровое решение для оптимизации НПЗ

Новости компаний, релизы

Международные эксперты оценили разработанную для нижегородского завода технологию
Регистрация сми на IV конгресс молодых ученых продлевается до 6 ноября
Фестиваль научных театров «Наука всем!» прошёл в Санкт-Петербурге
На старт! Внимание! MITEX!
Пироговская олимпиада для школьников по химии и биологии