Täysdigitaalinen ratkaisu skaalautuvalle todennäköisyyslaskennalle

Tekoäly ja koneoppiminen voivat tehostua huomattavasti Kalifornian yliopiston, Santa Barbaran ja Tohokun yliopiston tutkijoiden yhteistyössä Taiwan Semiconductor Manufacturing Companyn (TSMC) kanssa kehittämän uudentyyppisen tietokonekomponentin ansiosta.

Teknologia perustuu "probabilistisiin bitteihin" eli "p-bitteihin", jotka ovat piirielementtejä, joiden arvo luonnostaan vaihtelee nollan ja yhden välillä.

Toisin kuin perinteiset digitaaliset bitit, joiden arvo on kiinteä, p-bitit voivat tehokkaasti tutkia monia mahdollisuuksia. Tämä tekee niistä hyvin sopivia optimoinnin ja päättelyn kaltaisten ongelmien ratkaisemiseen, jotka ovat vaikeita perinteisille tietokoneille.

Tähän asti useimmat p-bittiset mallit ovat vaatineet analogisia elektronisia komponentteja säätämään sitä, kuinka usein lähtö on 0 tai 1. Nämä analogiset osat kuten digitaali-analogimuuntimet (DAC), ovat kookkaita, virtaa rohmuavia ja kalliita, mikä haittaa skaalautuvuutta.

Uusi työ tarjoaa läpimurron: täysin digitaalisen p-bittisen mallin, jossa DA-muuntimet poistetaan kokonaan.

”Riippuvuus analogisiin signaaleihin jarrutti kehitystä”, sanoo Shunsuke Fukami (Tohokun yliopisto). ”Niinpä löysimme digitaalisen menetelmän p-bittien käyttäytymisen säätämiseksi ilman tyypillisesti käytettyjä suuria ja kömpelöitä analogisia piirejä.”

Tutkijoiden lähestymistapa käyttää magneettisia tunneliliitoksia (MTJ), jotka vaihtavat luonnollisesti kahden tilan välillä satunnaisesti. Syöttämällä tämän 50/50-satunnaisen bittivirran yksinkertaiseen digitaaliseen piiriin, joka yhdistää signaaleja vähitellen kontrolloidulla ajoituksella, tiimi voi sujuvasti säätää, kuinka todennäköisesti lähtö on 0 tai 1.

Tärkeää on, että sama digitaalinen piiri voi myös kompensoida näiden stokastisten elementtien luonnollisia laitteiden välisiä vaihteluita, mikä tekee lähestymistavasta kestävän valmistuksen epätasaisuuksille.

Tämä lähestymistapa mahdollistaa kaksi ominaisuutta, jotka ovat pitkään olleet esteenä laitteistopohjaisessa probabilistisessa laskennassa. Ensinnäkin järjestelmä päivittää sisäistä tilaansa itseorganisoituvalla tavalla, mikä tarkoittaa, että eri elementit välttävät luonnollisesti toistensa häiritsemistä.

Tämä sallii useiden p-bittien toiminnan rinnakkain ilman keskitettyä ohjainta. Toiseksi, suunnittelu mahdollistaa eräänlaisen "sirulla tapahtuvan hehkutuksen", menetelmän ratkaisujen asteittaiseen rajaamiseen muuttamalla perusajoitusasetuksia sen sijaan, että tallennetut parametrit kirjoitettaisiin kokonaan uudelleen.

Tutkimusryhmän kehittämä merkittävä uusi rakenne vaatii huomattavasti vähemmän tilaa ja tehoa kuin vaihtoehdot, ja se on myös yhteensopiva nykyaikaisen puolijohdevalmistuksen kanssa.

Tutkijat odottavat, että tämä edistysaskel tekee todennäköisyyslaskennasta käytännöllistä sovelluksissa aina tekoälystä logistiikkaan, tieteellisiin löytöihin ja tulevaisuuden laskentajärjestelmiin.

Aiheesta aiemmin:

Todennäköisyyspohjaisia tietokoneita ja tekoälyä

P-tietokoneiden potentiaali

Maailman nopein spintroninen p-bitti