Problèmes d’optimisation, tels que programmation des centaines de matchs de la National Football League (NFL) les matchs tout en essayant de respecter les nombreuses règles de la ligue peuvent nécessiter d’énormes ressources informatiques. Certains de ces problèmes sont irréalisables, même pour les supercalculateurs actuels. Inspirés par les phénomènes quantiques et d’autres méthodes informatiques basées sur la physique, les chercheurs ont tenté de développer des ordinateurs dédiés capables de résoudre ces problèmes épineux plus rapidement et plus efficacement.
Dans le cadre du dernier effort de ce type, des ingénieurs de l’Université du Minnesota ont trouvé un moyen de coder ces problèmes sur une puce construite à l’aide de circuits CMOS standard. Comme d’autres soi-disant Machines à iser, il modélise un réseau interconnecté de spins magnétiques. Mais contrairement à d’autres, il parvient à connecter les 48 tours les uns aux autres. Ces dernières années, ces connexions universelles se sont révélées efficaces. clé pour résoudre rapidement de nombreux problèmes.
“48 connexions tout-à-tout constituent une étape non négligeable.”
—Peter McMahon, Université Cornell
Les modèles Ising se tournent problèmes d’optimisation en une collection de moments magnétiques interconnectés, ou spins, qui peuvent être « vers le haut » ou « vers le bas ». Ces spins sont connectés les uns aux autres et les spins voisins veulent avoir des directions opposées. Le problème d’optimisation est mappé à la force et à la polarité de ces connexions. L’ensemble de la collection est ensuite autorisé à se détendre dans un état où elle se rapproche le plus possible de tous les tours pour obtenir ce qu’ils veulent ; l’énergie totale du système est minimisée, et c’est la réponse au problème d’optimisation.
Faire cela dans un logiciel ou même dans du matériel numérique conçu pour accélérer les algorithmes d’Ising a eu un certain succès, mais il a été limité. La nouvelle approche « utilise la nature pour résoudre le problème », déclare Chris Kim, professeur d’électricité à l’Université du Minnesota ingénieur qui a dirigé les recherches. “La nature veut s’installer dans un état d’énergie inférieur.”
Le cœur de la puce est un ensemble de circuits inverseurs interconnectés. Le chaînage d’un onduleur après l’autre produit un circuit oscillateur. Le réseau comprend essentiellement 48 oscillateurs dans les directions horizontale et verticale. Là où chaque oscillateur horizontal et vertical se rencontre se trouve une connexion pondérée représentant la force du lien entre deux spins. De cette façon, chaque tour est connecté les uns aux autres.
Les oscillations interagissent d’une manière qui imite un Modèle d’Ising passer à un état d’énergie inférieur. Après quelques microsecondes, un circuit lit la phase des oscillations en différents points et délivre la réponse.
La première puce a été fabriquée selon un procédé en 65 nm, qui utilise des transistors planaires. Kim espère créer une version utilisant une technologie plus avancée qui utilise les FinFET pour prouver qu’elle fonctionne même à échelle réduite.
Son équipe prévoit également de développer un bloc de circuits qui permettrait de vérifier rapidement la qualité de la solution proposée par les circuits d’Ising. Les accélérateurs d’optimisation peuvent se retrouver bloqués sur une solution qui fonctionne mais qui n’est pas la meilleure possible. Pour le débloquer, le vérificateur de qualité perturberait la solution, exécuterait à nouveau le modèle, comparerait les réponses et éventuellement recommencerait le processus. Ces petits coups de pouce peuvent éventuellement apporter la réponse optimale.
La recherche, publiée dans Électronique naturelle le mois dernier, a été le premier à sortir d’une subvention de 6,8 millions de dollars du Programme DARPA d’informatique classique d’inspiration quantique (QuICC). L’objectif est d’ouvrir la voie à une amélioration de 500 fois des performances de la quantité d’énergie nécessaire pour résoudre les grands problèmes d’optimisation pertinents pour le département américain de la Défense. La puce de test de Kim a consommé 105 milliwatts pour le problème le plus densément connecté qu’elle a résolu, mais les problèmes liés aux connexions clairsemées n’ont nécessité que 16 milliwatts. Le groupe du Minnesota a collaboré avec des chercheurs de Intel sur les tests.
L’ampleur des problèmes d’optimisation
Selon Kim, le principal obstacle à l’impact majeur de la puce Ising est qu’il est peu probable que cette technologie puisse fournir les connexions tout-à-tout beaucoup plus importantes nécessaires pour résoudre des problèmes industriels pertinents. Les chercheurs devront trouver un moyen d’exploiter des centaines, voire des milliers de ces baies pour résoudre de gros problèmes, de la même manière que de nombreux GPU sont utilisés pour entraîner de grandes IA.
Néanmoins, même atteindre 48 ans est un exploit.
« 48 connexions tout-à-tout constituent une étape non négligeable », déclare Peter McMahon, professeur adjoint d’ingénierie appliquée et de physique à l’Université Cornell qui fait partie d’une équipe concurrente dans la quête de la technologie Ising par la DARPA. « Le résultat global semble vraiment impressionnant, et il y a vraiment une certaine nouveauté dans la façon dont ils y sont parvenus. »
McMahon est un pionnier dans machines d’échantillonnage optiquequi s’appuient sur des impulsions de lumière, une technologie Microsoft La recherche se développe. Mais dans le programme DARPA, il fait partie d’une équipe travaillant sur une puce Ising basée sur des circuits supraconducteurs.
McMahon est d’accord avec Kim sur le fait qu’un gros problème auquel sont confrontées ces technologies est que peu de problèmes intéressants s’inscrivent dans 48 tours qui ne peuvent pas déjà être résolus efficacement sur un processeur.
La nouvelle puce a commencé comme un croquis dessiné à la main.Chris Kim
Mais des chercheurs de l’Université de Princeton ont découvert un problème. 5G et futur 6G Le sans fil repose sur l’utilisation de systèmes d’antennes dits massifs à entrées multiples et sorties multiples (MIMO). De tels systèmes envoient et reçoivent des signaux sur plusieurs antennes à la fois pour augmenter le débit de données. Cependant, les interférences sont inévitables avec autant d’antennes actives en même temps. Il existe des algorithmes pour démêler les signaux, mais ils sont actuellement trop lourds pour que les ordinateurs des stations de base puissent les exécuter en quelques millisecondes dont ils disposent.
La solution aujourd’hui est d’avoir bien plus d’antennes disponibles à la station de base qu’il n’y a d’utilisateurs cellulaires dans la région, ce qui est pour le moins inefficace. L’équipe de Princeton, qui comprend McMahon et est dirigée par Kyle Jamieson, a proposé une solution modèle Ising qui double le débit par rapport à la norme industrielle et pourrait s’adapter aux systèmes à l’échelle des puces que la DARPA développe. Le groupe de Kim a entamé une collaboration avec l’équipe de Jamieson.
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