دستاورد جدید محاسبات آنالوگ
دانشمندان در چین یک تراشه جدید را توسعه دادهاند که یک نوآوری خاص دارد: این تراشه از نوع آنالوگ است. برخلاف پردازندههای استاندارد دیجیتال که محاسبات را بر اساس کدهای دودویی (صفر و یک) انجام میدهند، این تراشه محاسبات را مستقیماً بر روی مدارهای فیزیکی خود انجام میدهد.
سازندگان این تراشه ادعا میکنند که این محصول جدید میتواند تا ۱۰۰۰ برابر بهتر از قویترین واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) شرکتهای انویدیا و AMD عمل کند.
در مطالعهای که در تاریخ ۱۳ اکتبر در نشریه Nature Electronics منتشر شد، محققان دانشگاه پکینگ اعلام کردند که دستگاه آنها دو تنگنای کلیدی در محاسبات را برطرف کرده است:
۱. محدودیتهای انرژی و دادهای که تراشههای دیجیتال در حوزههای نوظهوری مانند هوش مصنوعی (AI) و ۶G با آن مواجهاند.
۲. «مشکل یک قرن» در محاسبات آنالوگ که شامل دقت پایین و عدم کارایی لازم برای کاربردهای عملی بود.
عملکرد و کارایی بینظیر
وقتی این تراشه برای حل مسائل پیچیده مخابراتی (مانند مسائل معکوسسازی ماتریس که در سیستمهای بیسیم MIMO بسیار پرکاربردند) استفاده شد، توانست دقت پردازندههای دیجیتال استاندارد را حفظ کند، در حالی که تقریباً ۱۰۰ برابر انرژی کمتری مصرف میکرد.
محققان با انجام تنظیمات، نشان دادند که این دستگاه توانسته است عملکرد قویترین GPUها مانند انویدیا H100 و AMD Vega 20 را تا ۱۰۰۰ برابر بهبود بخشد. هر دوی این تراشهها بازیگران اصلی در آموزش مدلهای هوش مصنوعی هستند؛ برای مثال، H100 نسخه جدیدتر A100 است که OpenAI برای آموزش ChatGPT از آن استفاده کرد.
این دستگاه جدید با استفاده از آرایههایی از سلولهای حافظه دسترسی تصادفی مقاومتی (RRAM) ساخته شده است که دادهها را با تنظیم میزان سهولت جریان الکتریسیته از هر سلول، هم ذخیره و هم پردازش میکنند.
آنالوگ، راهکاری جدید برای مشکلات قدیمی
بر خلاف پردازندههای دیجیتال که با صفر و یک کار میکنند، طراحی آنالوگ اطلاعات را به صورت جریانهای الکتریکی پیوسته در سراسر شبکه سلولهای RRAM خود پردازش میکند. با پردازش مستقیم دادهها در سختافزار خود، این تراشه از کار پرانرژی جابجایی اطلاعات بین خود و یک منبع حافظه خارجی اجتناب میکند.
محققان در این مطالعه بیان کردند: «با افزایش برنامههای کاربردی که از حجم وسیعی از دادهها استفاده میکنند، این موضوع برای کامپیوترهای دیجیتال چالشساز است، به ویژه که کوچکسازی سنتی قطعات به طور فزایندهای دشوار میشود.» آنها افزودند: «استانداردسازی نشان میدهد که رویکرد محاسبات آنالوگ ما میتواند در ازای همان سطح دقت، ۱۰۰۰ برابر توان عملیاتی بالاتر و ۱۰۰ برابر بهرهوری انرژی بهتری نسبت به پردازندههای دیجیتال پیشرفته ارائه دهد.»
محاسبات آنالوگ یک فناوری جدید نیست (مانون سازوکار آنتیکیترا که بیش از ۲۰۰۰ سال پیش ساخته شده است). اما در بیشتر تاریخ محاسبات مدرن، به دلیل اتکای این سیستمها به سیگنالهای فیزیکی پیوسته (مانند ولتاژ یا جریان الکتریکی) که کنترل دقیق آنها دشوارتر از دو حالت پایدار (۱ و ۰) دیجیتال است، به عنوان یک جایگزین غیرعملی در نظر گرفته میشد.
با این حال، جایی که سیستمهای آنالوگ برتری دارند، سرعت و کارایی است. آنها نیازی به شکستن محاسبات به رشتههای طولانی کد دودویی ندارند و عملیات را به صورت فیزیکی بر روی مدار انجام میدهند. به همین دلیل، تراشههای آنالوگ میتوانند حجم زیادی از اطلاعات را به طور همزمان و با انرژی بسیار کمتری مدیریت کنند.
این ویژگی در برنامههای پر مصرف داده و انرژی مانند هوش مصنوعی که پردازندههای دیجیتال در پردازش متوالی اطلاعات با محدودیت مواجه هستند، و همچنین در شبکههای ارتباطی نسل ۶G که باید حجم عظیمی از سیگنالهای بیسیم را در زمان واقعی پردازش کنند، اهمیت ویژهای پیدا میکند.
راه حل ترکیبی و تولید انبوه
محققان اظهار داشتند که پیشرفتهای اخیر در سختافزار حافظه میتواند محاسبات آنالوگ را دوباره عملی کند. تیم سازنده، سلولهای RRAM تراشه را در دو مدار پیکربندی کرد:
۱. مداری که یک محاسبه سریع اما تقریبی ارائه میداد.
۲. مداری دوم که نتیجه را در تکرارهای بعدی اصلاح و دقیقتر میکرد تا به یک عدد دقیق برسد.
این پیکربندی باعث شد تیم بتواند سرعت محاسبات آنالوگ را با دقت معمولاً مرتبط با پردازش دیجیتال ترکیب کند. نکته مهم این است که این تراشه با استفاده از یک فرآیند تولید تجاری ساخته شده، به این معنی که پتانسیل تولید انبوه دارد.
محققان میگویند بهبودهای آتی در مدارهای تراشه میتواند عملکرد آن را حتی بیشتر افزایش دهد. هدف بعدی آنها ساخت تراشههای بزرگتر و کاملاً یکپارچه است که قادر به حل مسائل پیچیدهتر با سرعت بالاتر باشند.