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

Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр

В сериале Звездный путь: Следующее поколение к...

Physical Review X: Сеть квантовых датчиков повышает точность измерений
Physical Review X: Сеть квантовых датчиков повышает точность измерений

Квантовые системы, используемые в квантов...

Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек

Еще один балл в пользу искусственного инт...

Крошечную метку на замену RFID сделали еще надежнее
Крошечную метку на замену RFID сделали еще надежнее

Несколько лет назад исследователи Массачу...

Ученые приблизились к более легким и гибким оптоэлектронным устройствам
Ученые приблизились к более легким и гибким оптоэлектронным устройствам

Органические оптоэлектронные устройства, такие...

PNAS Nexus: ИИ пока еще далеко до человеческих способностей мыслить
PNAS Nexus: ИИ пока еще далеко до человеческих способностей мыслить

Атанасиос С. Фокас рассматривает актуальный во...

Nature: ИИ генерирует белки с исключительной прочностью связывания
Nature: ИИ генерирует белки с исключительной прочностью связывания

В новом исследовании, опубликованном 18 декабр...

Nature Computational Science: ИИ может предсказывать события в жизни людей
Nature Computational Science: ИИ может предсказывать события в жизни людей

Искусственный интеллект, разработанный для&nbs...

Nature Electronics: Изменение памяти дает новые вычислительные возможности
Nature Electronics: Изменение памяти дает новые вычислительные возможности

Ученые Рочестерского университета разработали ...

Nature: 2D-материал изменяет форму 3D-электроники для искусственного интеллекта
Nature: 2D-материал изменяет форму 3D-электроники для искусственного интеллекта

Многофункциональные компьютерные чипы эволюцио...

Началась регистрация на конкурс «Битва искусственных интеллектов»
Началась регистрация на конкурс «Битва искусственных интеллектов»

Стартовал отборочный этап Международного техно...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

ESA: Первые снимки Евклида показали миллиарды осиротевших звезд
ESA: Первые снимки Евклида показали миллиарды осиротевших звезд
Heliyon: Ученые нашли виновника тяжелых отравлений благодаря новому методу ПЦР
Heliyon: Ученые нашли виновника тяжелых отравлений благодаря новому методу ПЦР
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
NatMat: Ученые из университета Райса нашли отличную альтернативу ферроэлектрикам
NatMat: Ученые из университета Райса нашли отличную альтернативу ферроэлектрикам
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
Child Development: Отношения с матерью влияют на умение дружить и растить детей
Child Development: Отношения с матерью влияют на умение дружить и растить детей
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
New Media & Society: Геймеры находят оправдание смурфингу, хотя он их и бесит
New Media & Society: Геймеры находят оправдание смурфингу, хотя он их и бесит
EMBO Reports: Растения-однолюбы находят одного партнера на всю жизнь
EMBO Reports: Растения-однолюбы находят одного партнера на всю жизнь

Новости компаний, релизы

Ученые ТПУ выяснили, что заболевания ЦНС за последние 30 лет вышли на первое место по влиянию на здоровье населения
Физики СПбГУ и Института проблем машиноведения РАН улучшили ударопрочные характеристики нержавеющей стали
КВЗ принимает заявки на целевое обучение в проект «Крылья Ростеха»
В Петербурге снизилось количество разрушающих озоновый слой газов
Исследователи используют кантианскую модель рациональности для оценки этичности решений ИИ