Construirea unui calculator care rezolvă probleme practice la viteza luminii

Există o vorbă veche: că atunci când singura unealtă pe care o ai este un ciocan, fiecare problemă arată ca un cui.  Uneori denumită “legea instrumentului”, această idee de ciocan și cui este o capcană comună în cercetare. Când nu ești deschis să-ți pui la îndoială propriile metode, s-ar putea să pierzi o oportunitate de învățare și impact.

Pentru un grup multidisciplinar de cercetători de la Microsoft Research Lab din Cambridge, Marea Britanie, misiunea a fost de a construi un nou tip de computer care să depășească limitările sistemelor binare în rezolvarea rapidă a problemelor complexe. Dar dorința de a menține întrebări mari precum “Care este natura acestui instrument pe care îl proiectăm?” și “Care este “cuiul” pe care îl putem bate cu el?” a fost cheia succesului în construirea unui computer care poate rezolva probleme practice cu viteza luminii.

Pentru început, au construit primul computer optic cu 8 variabile de acest gen. Computerul utilizează intensități diferite ale luminii pentru a calcula în aceeași locație în care sunt stocate informațiile. Cercetătorii au numit dispozitivul pe care l-au construit AIM, acronim pentru Analog Iterative Machine.

“Este întotdeauna cazul ca, dacă faci un progres tehnologic, de obicei la început nu va fi clar cum să-l folosești în practică”, spune Christos Gkantsidis, unul dintre cei trei cercetători principali ai proiectului. El își amintea cum inițial sperau să folosească AIM ca instrument pentru a accelera ML. “Există un pic de cercetare pentru a afla care probleme practice sunt mai potrivite pentru ei”.

În urmă cu aproximativ trei ani, au încercat să folosească AIM pentru a rezolva un tip de problemă de matematică deosebit de complicată, dar importantă – optimizarea. Ei și-au dat seama rapid că acest nou dispozitiv avea potențialul de a depăși cu mult viteza și capacitatea sistemelor binare utilizate în computerele tipice în rezolvarea acestor probleme de optimizare.

“Practic, optimizarea conduce lumea așa cum o știm”, spune Gkantsidis. Problemele de optimizare stau la baza multora dintre cele mai importante structuri ale societății, printre care: băncile și finanțele, asistența medicală, logistica și producția.

Promisiunea acestui nou computer a condus la un acord de cercetare de un an cu banca Barclays pentru a investiga potențialul utilizării acestuia pentru a rezolva o problemă din lumea reală – modul în care loturile de tranzacții sunt decontate la casele de compensare utilizate de majoritatea băncilor. Numărul tranzacțiilor se ridică zilnic la sute de mii. La fel ca majoritatea problemelor de optimizare, scara pură este cea care împiedică capacitatea computerelor binare de a le rezolva.

“Efectiv, ar fi nevoie de durata de viață a universului pentru a evalua toate opțiunile posibile”, spune Lee Braine, director general și inginer distins, CTO la Barclays. În prezent, spune el, o varietate de comenzi rapide de calcul și matematice sunt folosite pentru a face o estimare sofisticată a celui mai eficient mod de a soluționa loturi de zeci de mii de tranzacții.

Deschizând noi drumuri pentru algoritmi

Ca exemplu al tipului de problemă pe care AIM ar putea să o rezolve, el citează un schimb de opinii cu un cercetător Microsoft în domeniul sănătății despre modalitățile de reducere a timpului necesar pentru efectuarea unei scanări RMN cu același nivel de rezoluție(de obicei, durează între 15 și 90 de minute, în funcție de dimensiunea zonei scanate). Unele tehnici de scurtare a acestui timp sunt deja utilizate, dar implică compromisuri. Rularea a ceea ce este acum o ecuație de optimizare consumatoare de timp ar aduce, teoretic, mai multă precizie și viteză.  “Dacă suntem capabili să rezolvăm problema optimizării foarte, foarte repede, ar putea fi posibil să facem un RMN în mai puțin de un minut”, spune Ballani.

Francesca Parmigiani, cercetător pentru AIM, și-a făcut doctoratul în domeniul comunicațiilor optice. Acum, ea conduce efortul de a construi computerul optic în sine. Ea și mica ei echipă dezvoltă în prezent o versiune actualizată care va funcționa cu 48 de variabile, extinzând foarte mult complexitatea problemelor pe care computerul optic le poate rezolva. În cele din urmă, ei speră să construiască o versiune a AIM cu mii de variabile.

Echipa AIM folosește componente care există deja și au un sistem de fabricație – de la cabluri de fibră optică la modulatoare și lumini micro-LED – pentru a crea și actualiza AIM. Așa cum există acum, computerul este construit pe o bancă metalică de dimensiunea unei mese din sufragerie, cu e fire care ies din modulatoare și se leagă de ceea ce cercetătorii numesc uneori “proiector”, similar cu un proiector multimedia care stochează și calculează datele.

“Pe măsură ce am pivotat spre construirea acestui computer, a trebuit să învăț multe”, spune Parmigiani. “Nu aveam nicio idee despre optimizare.”

Sursa: Microsoft News