Ученые из США и Италии заявили о создании прототипа мем-процессора (английское memprocessor) с отличной от фон-неймановской архитектурой и возможности его использования для решения NP-полных задач. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Science Advances, а кратко о них сообщает издание Tech Times.
Стандартный процессор, в частности, в смартфоне или ноутбуке, основан на применении архитектуры фон Неймана, предполагающей пошаговое использование ресурсов процессора и памяти, физически разнесенных на устройстве. В отличие от нее, мем-процессор реализует одновременное вычисление и хранение полученных данных в одном месте.
Как отмечают ученые, такое устройство сближает мем-процессор с организацией обработки данных мозгом человека. Так, для совершения 1016 операций в секунду мозг человека расходует мощность около 20 ватт, тогда как суперкомпьютеру на выполнение такого же количества операций потребуется в десять миллионов раз больше энергии.
Как отмечают создатели мем-процессора, на обмен данными между памятью и процессором, находящимися в разных физических областях, тратится большое количество энергии, что удалось обойти в новом устройстве. Созданное учеными устройство способно за десять миллионов итераций решить задачу, которую стандартный процессор решил бы за десять миллиардов итераций. Также новый процессор, по словам ученых, может справиться с NP-полной задачей теории алгоритмов, допускающей решение за полиномиальное время на недетерминированной машине Тьюринга.
Сравнение архитектур
Изображение: Fabio L. Traversa, Massimiliano Di Ventra
Изготовлен мем-процессор из стандартных микроэлектронных компонентов и работает при комнатной температуре. Как отмечают его создатели, это выгодно отличает их устройство от квантового компьютера, требующего охлаждения его элементов до сверхпроводящих температур. Для создания мем-процессора ученые использовали обычные транзисторы, которые перепрограммировали, а также изменили некоторые их физические свойства.
В частности, если работа классического транзистора сводится к управлению при помощи сигнала, подаваемого на одну из клемм транзистора, сигналом (силой тока или напряжением) между двумя другими клеммами, то в новом устройстве на указанный процесс могут оказывать влияние и другие параметры, в частности электрическое сопротивление (в зависимости от проходящего через него заряда за все время работы устройства).
Даже после того, как на мем-процессор прекращается подача энергии, он сохраняет свое сопротивление и соответствующие данные. Результат вычислений процессор выдает в виде распределенных частот, что, как отмечают ученые, приводит к его сильному искажению вследствие посторонних (электромагнитных) шумов. Решением этой проблемы ученые собираются заняться в ближайшее время, усовершенствовав коррекцию ошибок.
На основе шести мем-процессоров, объединенных в цепь для параллельных вычислений, ученые создали прототип мем-компьютера. По мнению исследователей, такие устройства могут найти применение для решения узкого круга задач, в которых новые процессоры на несколько порядков способны обойти возможности стандартных компьютеров. Однако, по словам авторов, мем-процессоры вряд ли способны в ближайшие десятилетия заменить процессоры на основе архитектуры фон Неймана.
Аналогичные технологии, основанные на использовании мемристоров (резисторов с памятью — устройств, меняющих свое сопротивление в зависимости от заряда, протекшего через него за время работы устройства), разрабатываются несколькими компаниями, в частности, Hewlett-Packard. Теоретическое описание устройства мемристора появилось в 1971-м, а его первый образец был создан в 2008 году. Промышленный выпуск вычислительных устройств на основе мемристоров пока не налажен.