Des chercheurs de l'Université de Göteborg ont développé une nouvelle machine ISING qui utilise des ondes acoustiques de surface en tant que transporteur efficace de flux d'informations dense. Cette approche permet des solutions rapides et économes en énergie à des problèmes d'optimisation complexes, offrant une alternative prometteuse aux méthodes de calcul conventionnelles basées sur l'architecture von-neumann. Les résultats sont publiés dans la revue Physique des communications.
Les ordinateurs traditionnels peuvent trébucher lors de la lutte contre les problèmes d'optimisation combinatoire – les tâches des opérations logistiques de planification, l'optimisation du portefeuille financier et le trading à haute fréquence, l'optimisation des canaux de communication dans des réseaux sans fil complexes ou la prévision de la façon dont les protéines se replient entre les innombrables possibilités structurelles.
Dans ces cas, chaque nœud ajouté – un centre logistique supplémentaire, un utilisateur de réseau ou une liaison moléculaire provoque un explosion de configurations possibles de façon exponentielle. Contrairement à la croissance linéaire ou polynomiale, une augmentation exponentielle du nombre de solutions possibles fait que même les ordinateurs et les algorithmes les plus puissants n'ont pas la puissance et la mémoire de calcul pour évaluer chaque scénario à la recherche de sous-ensembles de petits sous-ensembles représentant des solutions satisfaisantes.
Désormais, les chercheurs de l'Université de Göteborg ont dévoilé une nouvelle machine ISING « surface acoustique » (SAWIM) qui pourrait résoudre certaines tâches informatiques notoirement difficiles dans les fractions de la puissance et de la taille demandées par les ordinateurs typiques. Inspirée par des machines cohérentes Ising (CIM) qui utilisent des impulsions laser, cette conception acoustique conserve une connectivité tout à toutes, mais améliore considérablement la stabilité thermique de quatre à cinq ordres de grandeur grâce à une fréquence de porteurs beaucoup plus faible – présentant une plate-forme réalisable commercialement pour des accélérateurs de problèmes combinatoires.
Ising Machines comme des résolveurs combinatoires rapides et efficaces en calcul
Les machines ISING sont du matériel inspiré de la physique et des solveurs algorithmiques qui s'attaquent aux problèmes combinatoires en les mappant sur un modèle classique de magnétisme – un modèle ISING. Une machine ISING réinvente les problèmes combinatoires en les transformant en un « paysage énergétique » de minuscules oscillateurs, chacun capable de prendre un état « up » ou « vers le bas ».
En physique, les systèmes s'installent naturellement dans la disposition de l'énergie la plus basse – comme un éventail de minuscules aimants essayant de s'aligner. Si les connexions entre ces oscillateurs représentent le problème à résoudre, alors trouver l'état global de l'énergie la plus basse est effectué en laissant simplement le système se détendre dans son état d'équilibre, représentant souvent une solution globale ou proche de l'optimum. Essentiellement, les machines ISING implémentent un raccourci matériel qui utilise la propre tendance de la nature à une énergie minimale.
La machine cohérente Ising a abordé le problème de l'utilisation d'impulsions légères dans une boucle optique. Tout en réussissant à la mise à l'échelle à des centaines de milliers de tours, ils nécessitent généralement un contrôle de température précis ou des systèmes de stabilisation supplémentaires et ne fonctionnent de manière stable qu'à des échelles temporelles microsecondes à la milliseconde.
« Nous nous sommes inspirés de machines cohérentes et avons remplacées par la lumière par des impulsions acoustiques radio-fréquences, réduisant considérablement les instabilités de phase induite par thermal, permettant à Sawim de fonctionner pendant des heures sans aucune stabilisation de fréquence et un système de compensation thermique », a déclaré le Dr Artem Litvinenko, premier et auteur correspondant de la nouvelle étude.
Le facteur de fréquence
Les CIM fonctionnent à des fréquences porteuses d'environ 200 ondes d'électromagnétiques Terahertz proches du spectre lumineux visible qui subissent une énorme accumulation de phase lorsqu'ils circulent à travers une boucle optique.
Même de minuscules changements de température peuvent provoquer une dérive de phase, ce qui perturbe la binarisation de phase de spins d'Ising équivalent ou nécessite l'introduction de systèmes de correction de rétroaction inefficaces. En revanche, Sawim s'appuie sur une fréquence beaucoup plus faible d'environ 300 mégahertz. En conséquence, le changement de phase global est considérablement réduit – par un facteur de 100 000 ou plus, ce qui rend le système beaucoup moins sensible aux fluctuations de la température.
« Dans les systèmes optiques, un minuscule changement de température peut déformer le codage de phase délicat des tours d'Ising équivalents représentés avec des impulsions légères, en train de rejeter le calcul entier », a déclaré le professeur Johan Åkerman, en organisant et en un auteur correspondant sur les travaux. « Dans les lignes de retard de SAWIM, les ondes acoustiques ne s'accumulent pas près de cette quantité de décalage d'accumulation de phase, nous n'avons donc pas besoin d'un système de thermostat spécial d'un système de stabilisation de fréquence de boucle à verrouillage de phase. »
Comment les ondes acoustiques calculent
À l'intérieur de Sawim, les impulsions micro-ondes créent des paquets d'ondes acoustiques de surface de propagation qui se déplacent le long d'une surface cristalline stockant les informations sur la phase et l'amplitude des spins Ising équivalents. Chaque paquet d'onde (rotation ISING équivalente) peut se déposer en deux états de phase stable.
Le système interconnecte ces packages à l'aide d'un bloc de multiplication de matrice numérique implémenté avec des tableaux de porte programmables sur le terrain (FPGA) afin qu'ils interagissent d'une manière qui correspond à la matrice d'interconnexion dans un problème d'optimisation arbitraire. Une fois la machine allumée, les paquets d'onde acoustiques s'auto-organisent dans la configuration avec la plus faible énergie, résolvant ainsi le problème combinatoire dans un énorme espace de solution.
À l'heure actuelle, le prototype SAWIM prend en charge jusqu'à 50 tours qui peuvent être interconnectés, résolvant déjà des tâches combinatoires de taille moyenne. Puisqu'il est construit avec des électroniques standard et standard et ne dispose pas de tables optiques volumineuses, la prochaine étape sera de réapparaître le nombre de tours à des milliers, voire des dizaines de milliers, tout en maintenant la stabilité de température inhérente de l'approche acoustique et la taille compacte.
Un chemin plus petit et plus frais
En raison des basses fréquences porteuses et des petites amplitudes de fonctionnement utilisées dans SAWIM, le système fonctionne à température ambiante avec seulement quelques watts de puissance, beaucoup plus bas que de nombreux systèmes optiques. SAWIM exploite la technologie SAW bien développée depuis le niobate de lithium (le substrat de propagation des vagues) et l'électronique associée sont largement utilisées dans les télécommunications.
« Nous sommes au début de l'exploration de l'informatique stable basée sur des vagues réalisables », a déclaré le Dr Litvinenko. « La stabilité thermique élevée de SAW nous permet de développer davantage la complexité de calcul, explorant les opportunités de passer des spins binarisés aux tours à plusieurs niveaux, qui détiennent un énorme potentiel de calcul combinatoire et sont difficiles avec les machines ISING optiques. »
