La informàtica “Coinflip” podria ajudar a resoldre els misteris de la física


Si alguna vegada has preguntat a un mecànic d’automòbils quant de temps durarà una peça fins que es trenqui, és probable que s’arronsin d’espatlles. Saben quant duren de mitjana les peces i poden veure quan una està a punt de trencar-se. Però saber quantes milles queden és extremadament difícil, fins i tot amb un superordinador, perquè el moment exacte en què es trenca un cinturó o s’apaga una bateria és fins a cert punt aleatori.

Els científics dels laboratoris nacionals de Sandia estan creant un concepte per a un nou tipus d’ordinador per resoldre problemes complexos de probabilitat com aquest. Proposen que un “ordinador probabilístic” no només podria crear programes de manteniment més intel·ligents, sinó que també podria ajudar els científics a analitzar la metralla subatòmica dins dels col·lisionadors de partícules, simular experiments de física nuclear i processar imatges amb més rapidesa i precisió del que és possible amb els ordinadors convencionals.

Com a part d’un nou programa de recerca en codisseny de microelectrònica, l’Oficina de Ciència del Departament d’Energia recentment premiat el projecte 6 milions de dòlars durant els propers tres anys per desenvolupar la idea. Sandia treballarà amb el Laboratori Nacional Oak Ridge, la Universitat de Nova York, la Universitat de Texas a Austin i la Universitat Temple a Filadèlfia.

Un projecte de codisseny de microelectrònica implica una col·laboració multidisciplinària que té en compte les interdependències entre materials, física, arquitectures i programari. Els investigadors també buscaran maneres d’incorporar mètodes d’aprenentatge automàtic.

El concepte d’un ordinador probabilístic és oposat a com es construeixen i programen normalment els ordinadors, va dir el científic de Sandia Brad Aimone. En lloc de fer-ne un que sigui perfectament previsible, Sandia en vol un amb aleatorietat integrada que calculi la informació de manera diferent cada vegada.

“En gran part, i amb un gran cost energètic, dissenyem ordinadors per eliminar l’aleatorietat. El que volem fer en aquest projecte és aprofitar l’aleatorietat. En lloc de lluitar-hi, volem utilitzar-lo”. va dir Aimone, que lidera el projecte que ell i el seu equip anomenen COINFLIPS (abreviatura de Fonaments neuronals millorats dissenyats per CO, aprofitant l’estochasticitat física inherent).

“Què passa si, quan em comunico amb tu, llance una moneda?” va dir Aimone. “Si caps, actues segons el meu missatge; si les cues, ho ignores. Volem descobrir com podeu utilitzar l’aleatorietat com aquesta per resoldre problemes on la probabilitat és important”.

Concepte modelat a partir de connexions imprevisibles entre cèl·lules cerebrals

Aimone és un expert en tecnologia que imita el cervell, inclòs l’aprenentatge automàtic. Va tenir la seva idea per a un ordinador probabilístic a partir de com les cèl·lules cerebrals parlen entre elles.

Dins del vostre cervell hi ha milers de milions de cèl·lules anomenades neurones que transmeten informació a través de bilions de connexions cèl·lula a cèl·lula anomenades sinapsis, va dir Aimone. Sempre que una neurona té un missatge, envia un senyal a moltes altres neurones alhora. Però només una fracció aleatòria del costat receptor transmet el missatge a més cel·les. Els neurocientífics no estan d’acord per què, però Aimone creu que podria ser un motiu pel qual els cervells fan algunes tasques millor que els ordinadors, com ara aprendre i adaptar-se, o per què utilitzen menys energia.

Per imitar aquest comportament cerebral, els científics han d’esbrinar com generar bilions de nombres aleatoris alhora. Aquesta aleatorietat és massa complexa i requereix massa potència per als ordinadors, va dir Shashank Misra de Sandia, que dirigeix ​​l’equip de maquinari COINFLIPS.

“Haurem de ser creatius amb nous enfocaments, inclosos nous materials, control a escala atòmica i dissenys basats en l’aprenentatge automàtic per generar el gran volum d’aleatorietat necessari i fer-lo útil per a la computació”, va dir Misra.

Els ordinadors convencionals poden mirar la il·lusió òptica de l’esquerra i normalment només veuen un gerro o dues cares. Els Laboratoris Nacionals de Sandia estan posant les bases per a un ordinador que, com el nostre cervell, pot mirar moltes vegades i veure tots dos. Crèdit: Laura Hatfield, Sandia National Laboratories

COINFLIPS també identificarà les tasques que es beneficien de l’atzar.

Els ordinadors probabilistes formen part d’un esforç més gran a Sandia per explorar com poden ser els ordinadors en el futur. Investigadors d’arreu del món han reconegut que la velocitat a la qual milloren els ordinadors s’està alentint, va dir Aimone. Per superar els límits aparents dels ordinadors, els científics estan buscant maneres noves i originals de dissenyar-los.

Conrad James, el gerent de Sandia de l’equip COINFLIPS, va dir: “Fa anys que molts de nosaltres a Sandia hem estat explorant la informàtica inspirada en el cervell i nous enfocaments de disseny. Fomentar més comunicació entre matemàtics, desenvolupadors d’algoritmes i físics de dispositius va portar a la formació d’aquest equip i proposta de recerca”.

Sandia se suma a altres esforços per repensar els ordinadors

COINFLIPS va ser una de les 10 propostes seleccionades a tot el país per rebre finançament per dissenyar microelectrònica nova i eficient energèticament. Per separat, Sandia presta la seva experiència en nanotecnologia i modelatge informàtic a un altre projecte seleccionat dirigit pel Laboratori Nacional Lawrence Berkeley.

Aquests investigadors redissenyaran els sensors nanomètrics utilitzats en tecnologies de comunicacions, imatges, teledetecció i vigilància perquè siguin més compactes, eficients i integrats en un processador informàtic.

“L’absorció de fotons, la transducció a un esdeveniment elèctric i la mesura formaran part d’un sistema quàntic”, va dir el físic de Sandia François Léonard, que és membre de la col·laboració.

També intentaran millorar aquests sensors amb materials avançats, com ara nanotubs de carboni, palletes de carboni buides que són 100.000 vegades més primes que un fil de cabell.

Un tercer equip de Sandia format pels investigadors Alec Talin i Matt Marinella donarà suport a un altre projecte seleccionat que lidera el Laboratori Nacional d’Oak Ridge. La seva investigació podria ajudar a millorar l’eficiència energètica del processament de la informació dels sensors en vehicles autònoms, dispositius portàtils i satèl·lits.

La major part del temps i l’energia que necessita un xip d’ordinador es dediquen a transportar informació entre el lloc on s’emmagatzema i el lloc on es processa, va dir Talin. Però podria ser possible reduir la potència que utilitzen els ordinadors combinant aquests dos elements mitjançant dispositius inspirats en el cervell desenvolupats a Sandia.

“La idea clau és que al cervell, la memòria i la lògica (processament) es troben en el mateix element bàsic, la neurona”, va dir Talin.

Els sistemes ràpids i eficients energèticament podrien processar tasques complexes, com ara el reconeixement d’imatges i la traducció d’idiomes en temps real, en dispositius portàtils com els telèfons intel·ligents sense necessitat de la potència de càlcul del núvol, va dir Talin.

Aquest article ha estat republicat a partir del següent materials. Nota: és possible que el material s’hagi editat per la longitud i el contingut. Per a més informació, poseu-vos en contacte amb la font citada.