Разработка физиков из КНР ускорит решение оптимизационных задач в тысячи раз

Физики из КНР создали вычислительный прибор на базе мемристоров, который способен ускорить решение максимально широкого круга оптимизационных задач в несколько тысяч раз и при этом в миллионы раз сократить расходы энергии, затрачиваемой на поиски ответов на эти вопросы. Первые итоги опытов с этим компьютером были раскрыты в статье в научном журнале Nature Electronics.

"Существующие машины такого рода, как правило, ограничены решением очень узкого круга задач. Мы создали универсальный вычислитель, который позволяет произвольным образом конфигурировать взаимодействия спинов частиц и благодаря этому решать очень широкий спектр оптимизационных задач. В частности, наша машина превосходит графические ускорители по скорости примерно в 442-1450 раз при решении двух популярных задач в теории графов", - говорится в исследовании.

Эта вычислительная система была разработана группой китайских физиков под руководством профессора Пекинского университета (Китай) Яна Юйчао. Она представляет собой набор из множества специализированных ячеек памяти, построенных на базе так называемых мемристоров. Так ученые называют особую форму резисторов, которая обладает "памятью" и способностью менять записанные данные без участия центрального процессора.

Физики из Китая воспользовались данной особенностью мемристоров для создания логической цепочки, способной воспроизводить и просчитывать то, как взаимодействуют друг с другом спины квантовых частиц внутри так называемой модели Изинга, описывающей структуру различных намагниченных материалов.

Этот математический подход и его физические воплощения хорошо подходит для ускоренного решения некоторых комбинаторных и оптимизационных задач.

Проблема заключалась в том, что устройства, способные воспроизводить модель Изинга, было фактически невозможно или очень сложно модифицировать после их сборки или в процессе их работы, из-за чего подобные вычислительные системы, которые ученые называют "машинами Изинга", пока не нашли широкого применения на практике. Профессор Ян Юйчао и его коллеги решили эту проблему при помощи специального алгоритма, позволяющего кодировать отдельные спины частиц и взаимодействия между ними в наборе из множества соединенных мемристоров.

Для демонстрации его работы ученые создали чип с 16,3 тыс. мемристорных ячеек памяти, при помощи которых исследователи решили две популярных математических задачи, связанные с теорией графов, а также улучшили работу алгоритма для подбора оптимальной формы "трафаретов" для литографов, используемых при изготовлении компьютерных чипов. Во всех трех случаях разработка физиков ускорила расчеты в несколько тысяч раз, что в перспективе позволит на несколько порядков снизить расходы энергии на эти вычисления, рассказали ученые.