Calculatoarele analogice au fost abandonate cu jumătate de secol în urmă, dar, pentru a trece dincolo de limitele dispozitivelor moderne, poate ar fi timpul pentru o „explozie” din trecut.
În mijlocul unui transport de bijuterii și a unei statui salvate dintr-un naufragiu grecesc străvechi, era o grămadă de lemn și bronz corodat ce ar putea capta imaginația lumii. Extras din Marea Mediterană în anul 1901, mecanismul Antikythera a fost un calculator foarte sofisticat în urmă cu 2000 de ani. Având mărimea unei cutii de încălțăminte, cu unelte din bronz care se îmbină cu sute de dinți triunghiulari, a fost construit pentru a trasa cărările corpurilor cerești și a fost capabil să realizeze adunări, înmulțiri, scăderi și împărțiri, toate acestea doar prin manevrarea unui mâner.
Aproape jumătate de secol a trecut ca mai apoi semnificația acestui mecanism să devină evidentă. Până atunci, lumea dezvoltase o nouă tehnologie de calculatoare și anume: calculatoarele digitale pe care le folosim și astăzi, alimentate cu energie electrică, mai degrabă, decât cu o manivelă de mână. Acestea au fost un pas imens înainte și s-au dovedit suficient de rapide și puternice pentru a menține linia modernă.
Însă, calculatoarele digitale nu sunt întotdeauna cel mai bun instrument de muncă. De exemplu, o mare parte din matematica folosită la frontierele științei moderne, se traduce neplăcut în tehnologia digitală, unde anumite ecuații sunt greu de rezolvat. Noile abordări sunt tot mai căutate în proiectarea inteligenței artificiale, acolo unde calculatoarele digitale se luptă să imite procesele complexe ale creierului uman. Prin urmare, cel mai recent hardware este adesea prea scump și ineficient de utilizat în acest domeniu.
Este puțin probabil ca dispozitivele mecanice să fie răspunsul problemelor, dar pentru a răspunde mai bine provocărilor din ziua de astăzi, cercetătorii care dezvoltă calculatoare caută tehnici analogice care au mai multe aspecte în comun cu mecanismul Antikythera decât cu calculatoarele convenționale de astăzi. Pentru a salva viitorul calculului, este posibil să avem nevoie de o revelație din trecut.
După cum sugerează și numele, calculatoarele analogice pot oferi un analog fizic al sistemului pe care îl descriu. Într-un dispozitiv precum mecanismul Antikythera, care este alcătuit dintr-un set de rotițe care se învârt, pozițiile anumitor roți reprezintă locațiile soarelui și ale lunii. Puteți spune întotdeauna unde se află acele obiecte cerești, doar uitându-vă la rotițe.
În schimb, o mașină digitală nu are suficiente astfel de mapări exacte, dar transformă toate informațiile în numere, cum ar fi coordonatele soarelui și ale lunii și efectuează calcule pe aceste numere, pentru a mapa schimbarea acestora. Funcționând pe bază de numere, independent de modul în care funcționează echipamentul fizic în sine, calcularea digitală poate fi extrem de versatilă.
O caracteristică cheie a computerelor digitale este utilizarea cifrelor binare, cunoscute și sub numele de biți, care reprezintă toate datele procesate sau stocate ca un șir de 0 și 1. În primele calculatoare digitale, informațiile au fost stocate și introduse prin intermediul unor carduri perforate cu găuri, ce reprezentau 0 și carduri solide, reprezentând 1. Pentru calculul propriu-zis, calculatoarele citesc informațiile și le traduc pe circuite echipate cu tranzistoare capabile să comute între două stări, adică dirijând un curent sau altul. Prelucrarea datelor implică apoi urmarea unui program care aruncă setul de comutatoare corect în fiecare etapă a calculului.
Un dezavantaj al stocării datelor sub formă de cifre binare ar fi acela că valorile variabilelor nu mai sunt continue. În timp ce un indicator pe buton se poate roti perfect prin toate numerele dintre 4 și 5, un computer digital de bază poate sări de la 4.1 la 4.2, fără a putea reprezenta valorile între ele. Adăugarea mai multor biți poate face ca decalajele dintre numere să fie tot mai mici, dar faptul că trebuie să facă salturi de o anumită dimensiune este inevitabil. Aceasta nu înseamnă neapărat o scădere a preciziei.
Primul computer digital programabil, de uz general, a fost „Electronic Numerical Integrator and Computer” (ENIAC), introdus în anul 1946. Avea dimensiunea unei camere și a durat zile întregi pentru programare, dar era semnificativ mai puternic decât orice alt computer care apăruse înainte. Abordările analogice s-au păstrat o perioadă, dar nu au fost decât o amintire ciudată până în anii ’80.
Cu toate acestea, chiar și în ziua de astăzi lumea nu este atât de digitală pe cât pare. „Lumea fizică este analogică”, spune Yannis Tsividis din cadrul Universității Columbia din New York. Tehnologia analogică este încă în jurul nostru. Semnalele radio electromagnetice. pe care telefoanele noastre inteligente le utilizează pentru a comunica între ele, sunt analogice, necesitând convertoare analogice-digitale pentru a permite electronicelor digitale ale telefonului să le prelucreze.
Analogul nu este util doar pentru schimbarea datelor dintr-un loc în altul. Există situații în care aceste tehnologii se dovedesc superioare celor digitale, în prelucrarea datelor. O zonă cheie se referă la tipurile de ecuații utilizate pentru orice, de la modelarea efectelor nivelurilor hormonale din organism până la înțelegerea comportamentului particulelor. Aceste ecuații diferențiale și integrale sunt expresii matematice în care cantitățile sunt corelate în ceea ce privește rata de schimbare a acestora, mai degrabă decât a valorilor lor. Abordarea digitală a acestora presupune calcularea și stocarea valorii fiecărui punct, de-a lungul unei funcții, care se referă la două variabile, care ulterior efectuează calcule pe acele valori stocate. În schimb, un computer analogic ar putea funcționa simultan, asupra întregii funcții.
Un mod de a face acest lucru ar fi valorificarea matematicii care guvernează circuitele electrice în sine. Valorile precum curentul electric, sarcina și capacitatea electrică, sunt legate de ratele de modificare a valorilor lor. Aceasta înseamnă că se potrivesc cu ecuații diferențiale, permițând circuitelor electrice să servească ca analogi pentru toate celelalte sisteme guvernate de astfel de expresii matematice. De aceea, Tsividis și colegii săi au folosit aceste tipuri de elemente de circuit pentru a dezvolta cipuri analogice electrice.
Spre deosebire de calculatoarele analogice din anii 1940 și 1950, cu cardurile lor perforate și cu cablarea primitivă, aceste cipuri beneficiază de toate aceleași progrese în cercetarea cu semiconductor, care au făcut calculatoarele digitale mai mici și mai rapide. Aceste noi cipuri analogice se pot conecta între ele, precum se întâmplă la calculatoarele digitale convenționale, iar cel mai important aspect, pot rezolva anumite probleme mai rapid și mai eficient decât omologii lor digitali. De exemplu, înmulțirea digitală a două valori binare din opt cifre, ar avea nevoie de aproximativ 3.000 de tranzistoare, însă, un calculator analog, ar avea nevoie de maxim opt.
„Se pare că oamenii nu au considerat calculul analog în contextul tehnologiei moderne”, spune Tsividis. „Noi am făcut-o, iar lucrurile păreau foarte promițătoare.”
Nu este utilă doar electronica pentru calculul analogic. Cercetătorii se orientează acum către fascicule de lumină, mai ales datorită posibilității unui transfer de date super rapid. Tehnologia optică oferă și alte avantaje. Atunci când pui obiecte în calea luminii, obții efecte care oferă un analog fizic pentru o gamă largă de fenomene.
Nader Engheta, din cadrul Universității din Pennsylvania și colegii săi, au arătat faptul că realizarea calculului analogic optic rapid se poate realiza folosind interacțiuni între lumină și materie. Ei au folosit o structură complexă cunoscută sub numele de „metamaterial” pentru a schimba calea luminii, astfel încât să poată rezolva ecuații integrale. Prototipul lor este proiectat pentru a lucra pe lungimi de undă lungi, ale radiațiilor cu microunde. Iterațiile viitoare ar putea face acest lucru pe radiații optice sau pe lungimi de undă mai scurte, permițând structurii să fie de o mie de ori mai mică și mai rapidă.
Antrenament cerebral
Un susținător influent al calculelor analogice, ai căror reprezentanți investesc în tehnologie inovatoare, este Agenția de Cercetare a Proiectelor pentru Apărare Avansată din SUA (DARPA). În anul 2016, DARPA a căutat modele pentru dispozitive analogice, hibrid analogice sau digitale, care ar putea oferi capacitățile unui super calculator, într-un dispozitiv desktop. Idea promițătoare, care a ieșit din acea schemă, a fost în jurul dispozitivelor electronice numite „memristori”.
De fiecare dată când un curent electric trece printr-un circuit, acesta întâlnește rezistența. Într-un memristor, această rezistență își schimbă răspunsul de la utilizarea anterioară, iar starea de rezistență modificată este păstrată atunci când circuitul este oprit, ceea ce înseamnă că are memorie. Acest lucru este util pentru stocarea datelor fără putere, dar și pentru oamenii de știință care lucrează la calcularea neuromorfă, în care circuitele electronice sunt folosite pentru a imita funcționarea creierului.
Puterea conexiunilor sau a sinapselor dintre neuronii creierului devin mai puternice pe măsură ce mai multe semnale trec prin ele și se slăbesc doar dacă semnalele devin rare, oferindu-le funcții de învățare asemănătoare memoriei musculare. Această conectivitate care variază continuu, este dificil de replicat cu tehnologia digitală deoarece are nevoie de curenți pentru a fi într-o stare activată sau oprită. Prin urmare. memristorii sunt văzuți ca o bază atractivă pentru calcularea neuromorfă.
Nu toată lumea este convinsă de acest lucru. „Văd câteva avantaje marginale ale circuitelor analogice pentru implementările neuromorfe, dar aceste beneficii vin cu costuri foarte mari, care, în general, nu merită să fie plătite”, spune Mike Davies, directorul laboratorului de calcul Neuromorph Intel.
„Metodele de proiectare digitală optimizează cifrele-cheie care contează, și anume: precizia, puterea, viteza și costul cipului, în moduri în care abordările analogice nu se potrivesc.”
Puțini sunt cei care susțin că digitalul, la modul general, câștigă în termeni de precizie. „Aceste dispozitive și sisteme analogice imită sisteme reale de procesare neuronală”, spune Giacomo Indiveri, din cadrul Institutului Federal Elvețian de Tehnologie din Zürich.
„Ca atare, sunt zgomotoși, impreciși și nesiguri.” Indiveri este un susținător pentru combinarea analogului cu tehnologiile digitale, pentru a obține cei mai bun din ambele. Părerea sa este că, sistemele biologice de procesare neuronală care nu au precizie, compensează prin mecanisme de feedback sofisticate pentru adaptare, învățare și plasticitate. De asemenea, proiectate corect, dispozitivele și algoritmii neuromorfi ar putea beneficia de această compensare.
Acest lucru ar putea avea implicații uriașe pentru puterea și viteza de calcul. Gigantul tehnologic IBM Blue Gene a fost, în anul 2011, unul dintre cei mai puternici din lume, în materie de super calculatoare. Compania încă se străduiește să simuleze miliardele de neuroni și sinapse din creierul unei pisici, consumând energie suficientă pentru a întreține o mie de case gospodărești.
Dispozitivele Memristor nu numai că pot fi mai compacte, dar au șansa de a se potrivi cu eficiența energetică a creierului, oferind aceleași rezultate asupra unei mii de puteri. Tot mai multe obiecte, de la frigidere inteligente, până la jucării pentru copii, sunt echipate cu putere de calcul. Indiveri consideră că tehnologiile hibride ce aleg ca și variantă analogul, ca o modalitate de a alimenta aceste dispozitive, devin mai eficiente.
IBM are echipe dedicate inovației analogice pentru Inteligența Artificială. Unul dintre cercetătorii firmei, Hsinyu Tsai, subliniază că astfel de dispozitive analogice se găsesc deja în tehnologia de zi cu zi. „Abordările analogice se potrivesc cu aplicațiile Inteligenței Artificiale de astăzi, unde modelele constau într-un număr mare de calcule, însă necesită doar o precizie numerică limitată”, spune Tsai.
În urmă cu două mii de ani, mecanismul Antikythera s-a scufundat pe fundul mării. După tot acest timp poate că tocmai ajungem să înțelegem adevărata putere a moștenirii sale analogice.
