Вероятностный чип перевернул мир вычислений отказом от двоичной логики

Базовые принципы построения компьютеров, незыблемые вот уже более шестидесяти лет, пошатнулись. Новый процессор на физическом уровне оперирует не "жёсткими" нулями и единичками, а вероятностями, что тот или иной бит равен 0 или 1. Бинарная логика уступила место иным правилам. И это оказывается выгодным способом вычислений в целом ряде областей.

Молодая американская компания Lyric Semiconductor первые четыре года после создания работала "скрытно", а теперь, когда ей есть что показать публике, вышла в свет, удивив мир первым вероятностным чипом. Процессор построен на основе весьма необычных логических вентилей, названных "байесовский NAND".

Диковинное прилагательное, характеризующее отличие этих схем от "просто NAND" (последний выполняет битовую операцию 2И-НЕ), отсылает к английскому математику XVIII века Томасу Байесу (Thomas Bayes). Конечно, Байес не помышлял, что его идеи когда-то будут востребованы разработчиками процессоров, а просто сделал большой вклад в развитие теории вероятностей (байесовская вероятность, теорема Байеса). Ныне этот математический аппарат применяется во многих приложениях, например в байесовской фильтрации спама.

Вообще говоря, вычисления вероятностей намного более распространены, чем кажется на поверхностный взгляд. Они включены в операции, которые происходят при проверке банковской карты, они используются, когда интернет-магазин предлагает клиенту дополнительные товары, они незаменимы и когда требуется спрогнозировать поведение финансового рынка.

До сих пор такого рода задачи решались классическими бинарными машинами, управляемыми соответствующим софтом. Перевод данных операций на более глубокий физический уровень сулит колоссальное ускорение приложений. А это значит, что нужен процессор, в вентилях которого входные и выходные "биты" — это вероятности (отражённые, к слову, уровнем электрического сигнала).

Определение возможности события, ранее требовавшее развёрнутой программы, выполняемой великой армией транзисторов, с новым чипом сводится к операции в одном или нескольких вентилях. В них не только исходные сигналы — вероятности, но и выходной – тоже. Это вероятность того, что две входные вероятности совпадали по величине.

Первый чип, созданный по новой технологии, назван LEC — Lyric error correction (он и показан на снимках в материале). Это специализированная схема, задача которой — выявление и исправление ошибок в твердотельной (флэш) памяти, то есть поиск ячеек, в которых стоит 0 вместо 1 или наоборот.

В сегодняшних флэш-чипах при чтении данных ошибочным оказывается примерно один бит из тысячи. С таким недостатком справляются микрочипы коррекции. Опираясь на уникальный код, записываемый каждый раз, когда данные поступают в память, они вычисляют контрольную сумму и определяют — какие биты оказались "перевёрнутыми".

В будущем ради уплотнения памяти и снижения её стоимости производители полупроводниковых схем могут пойти на допущение начального уровня ошибок в 1 бит на 100. С их исправлением будет непросто справляться микрочипам традиционной архитектуры. Потребуется увеличивать их размер и сложность. Но такая задача просто идеально подходит вероятностному чипу. Собственно, крохотный LEC уже сегодня может "шутя" вылавливать ошибки битов в количестве 1 на 100.

LEC уже готов для лицензирования, и компания надеется, что в течение двух лет такие схемы найдут себе место в смартфонах и КПК. Но прежде чем новинка получит массовое распространение, Lyric Semiconductor предстоит доказать надёжность и масштабируемость технологии.

А тем временем компания уже разрабатывает следующий продукт — GP5 — универсальный программируемый вероятностный процессор.

По мнению разработчиков, он будет идеальным помощником в таких областях, как поисковые движки или, к примеру, системы расшифровки генома. Ради этого чипа пришлось придумать не только новый вид вентилей и новую архитектуру, но даже новый язык программирования (PSBL — Probability Synthesis to Bayesian Logic, то есть вероятностный синтез байесовской логики). Код, написанный на PSBL, и будет запускаться на "родном" для него GP5.

Производительность этого процессора должна на три порядка превышать возможности классических бинарных систем с массовой архитектурой x86.

Также в тысячу раз будет меньше мощность и стоимость комплексов, необходимых для выполнения определённого объёма вычислений из областей статистики и вероятности. То есть в задачах такого плана один чип от Lyric заменит тысячу классических "камней".

Пресс-секретарь Lyric Мира Вильчек (Mira Wilczek) говорит: "Мы хорошо знаем, земля усеяна трупами микропроцессорных стартапов, которые ожидали, что их клиенты смогут программировать незнакомым им путём. Мы не просим наших покупателей делать это. Мы планируем поставлять комплексные решения для определённых сегментов рынка".

Амбициозная компания, насчитывающая всего 30 сотрудников, полагает, что сможет показать первые живые образцы GP5 в 2013 году.