Науковці з Пекінського університету в Китаї досягли визначного прориву у світі високих технологій, розробивши принципово новий тип чипа. Його особливість полягає в тому, що він є аналоговим, що означає, що обчислення виконуються безпосередньо фізичними схемами, а не традиційними бінарними одиницями та нулями, які використовують стандартні цифрові процесори. Цей пристрій, за словами його творців, має вражаючу здатність перевершувати продуктивність найпотужніших графічних процесорів (GPU) від таких гігантів, як Nvidia та AMD, у тисячу разів.
Дослідники з Пекінського університету, одного з найпрестижніших вищих навчальних закладів Китаю, що славиться своїми науковими здобутками, оприлюднили результати своєї роботи 13 жовтня в авторитетному науковому журналі Nature Electronics. Вони зазначили, що їхній винахід розв’язує одразу дві істотні проблеми, які нині обмежують розвиток обчислювальної техніки. По-перше, це енергетичні та інформаційні обмеження, з якими стикаються цифрові чипи в таких новітніх галузях, як штучний інтелект (ШІ) та комунікації шостого покоління (6G). Штучний інтелект – це широкий спектр технологій, що дозволяють машинам імітувати людські пізнавальні функції, такі як навчання, вирішення проблем та розпізнавання образів. По-друге, чип долає «столітню проблему» аналогових обчислень – низьку точність та непрактичність, що гальмували їхнє широке застосування.
Коли новий аналоговий чип був випробуваний на розв’язанні складних комунікаційних завдань – зокрема, обернення матриць, що використовується у масштабних бездротових системах MIMO (множинного входу – множинного виходу), – він продемонстрував точність, порівнянну зі стандартними цифровими процесорами. Водночас він споживав приблизно у сто разів менше енергії. Після додаткових налаштувань дослідники заявили, що цей пристрій перевершив за продуктивністю передові GPU, такі як Nvidia H100 та AMD Vega 20, у тисячу разів. Обидва ці графічні процесори є провідними компонентами у навчанні моделей штучного інтелекту; наприклад, Nvidia H100 – це новіша версія графічних карт A100, які OpenAI використовував для навчання ChatGPT – однієї з найвідоміших мовних моделей ШІ.
Технологічне серце прориву
Новий пристрій створений із масивів комірок резистивної пам’яті довільного доступу (RRAM). Ці комірки зберігають та обробляють дані, регулюючи легкість протікання електричного струму крізь кожну з них. На відміну від цифрових процесорів, які обчислюють у бінарному коді з одиниць та нулів, аналоговий дизайн обробляє інформацію як безперервні електричні струми у своїй мережі RRAM комірок. Завдяки прямій обробці даних у власній апаратній частині, чип уникає енергоємного завдання передачі інформації між собою та зовнішнім джерелом пам’яті. Це є істотним здобутком, оскільки з’являються застосунки, що оперують величезними обсягами даних, і це створює виклики для цифрових комп’ютерів, особливо з огляду на зростаючу складність традиційного масштабування пристроїв. Порівняльні випробування показали, що такий аналоговий підхід до обчислень може забезпечити у тисячу разів вищу пропускну здатність та у сто разів кращу енергоефективність, ніж сучасні цифрові процесори, за тієї ж точності.
Старі принципи – нові можливості
Аналогові обчислення не є новацією – навпаки, вони мають глибоке історичне коріння. Відомий Антикітерський механізм, знайдений біля узбережжя Греції у 1901 році, за оцінками, був створений понад 2000 років тому. Цей дивовижний пристрій використовував складні шестерні для виконання обчислень, демонструючи ранні форми аналогового комп’ютингу. Однак протягом більшої частини сучасної історії обчислювальної техніки аналогові технології вважалися непрактичною альтернативою цифровим процесорам. Це пов’язано з тим, що аналогові системи для обробки інформації покладаються на безперервні фізичні сигнали – наприклад, напругу або електричний струм. Ці сигнали набагато складніше точно контролювати, ніж два стабільні стани (1 і 0), з якими працюють цифрові комп’ютери.
Перевага аналогових систем полягає у їхній швидкості та ефективності. Оскільки їм не потрібно розбивати обчислення на довгі послідовності бінарного коду – натомість вони представляють їх як фізичні операції на схемі чипа – аналогові чипи можуть обробляти великі обсяги інформації одночасно, використовуючи при цьому значно менше енергії. Це набуває особливої ваги в таких інтенсивних щодо даних та енергії застосунках, як штучний інтелект, де цифрові процесори стикаються з обмеженнями щодо обсягу інформації, яку вони можуть обробляти послідовно. Це також визначально для майбутніх комунікацій 6G, де мережі матимуть обробляти величезні обсяги накладаних бездротових сигналів у реальному часі.
Дослідники стверджують, що недавні досягнення в апаратних засобах пам’яті можуть знову зробити аналогові обчислення життєздатними. Команда налаштувала RRAM комірки чипа у дві схеми: одна забезпечувала швидке, але наближене обчислення, а друга – уточнювала та доопрацьовувала результат у послідовних ітераціях, доки не досягала точнішого числа. Таке налаштування чипа дозволило команді поєднати швидкість аналогових обчислень із точністю, яка зазвичай асоціюється з цифровою обробкою. Важливо зазначити, що чип був виготовлений за допомогою комерційного виробничого процесу, що означає його потенційне масове виробництво. На думку вчених, подальші вдосконалення схеми чипа можуть ще більше підвищити його продуктивність. Їхня наступна мета – створити більші, повністю інтегровані чипи, здатні вирішувати складніші завдання на вищих швидкостях.
