Когда бестактность приветствуется

Японские ученые выдвинули собственную концепцию асинхронного нанокомпьютера на основе клеточного автомата.

В одном из последних выпусков журнала «Нанотехнология» опубликована любопытная статья японских исследователей, занимающихся созданием асинхронных компьютеров на основе клеточных автоматов («Laying out Circuits on Asynchronous Cellular Arrays: A Step Towards Feasible Nanocomputers?», Nanotechnology, March 20, 2003, #10).

Интерес к процессорам «без тактовой частоты» зародился давно, поскольку при одновременном росте сложности схем и скорости вычислений координирование всех процессов с помощью единых тактовых импульсов становится чересчур сложным и энергетически расточительным делом. Попытки создания асинхронных компьютерных схем предпринимаются уже на протяжении десятилетий, имеются даже коммерчески изготовляемые чипы, но до универсальности и эффективности традиционных схем им пока далеко. С другой стороны, очевидно, что рано или поздно придется отказаться от традиционных методов фотолитографии и переходить к молекулярной самосборке схем. Вычислительными компонентами нанокомпьютеров становятся отдельные молекулы, поэтому совершенно естественным образом всплывает концепция клеточных автоматов — больших массивов из простых, идентичных по устройству элементов, именуемых клетками. Каждая клетка обычно может переключаться между двумя состояниями, соответствующими логическому нулю и единице. Друг с другом клетки связываются благодаря сигналам, генерируемым цепными реакциями, проходящими по клеточным цепочкам. На эту архитектуру очень хорошо ложится концепция вычислений без синхросигналов, поскольку клеточные автоматы по сути своей являются асинхронными устройствами.

Базируясь на всех этих соображениях, ученые государственного исследовательского центра Японии CRL (Communications Research Laboratory) и выдвинули собственную концепцию асинхронного нанокомпьютера на основе клеточного автомата — потребляющего мало энергии, рассеивающего мало тепла, требующего меньше межсоединений и гибко реконфигурируемого для различных задач. Основу гипотетической разработки составляют квадратные клетки, хранящие четыре бита — по одному на каждую сторону, — и девять простых правил, управляющих взаимодействиями между клетками. Эти правила контролируют прохождение информации через массив клеток и по сути аналогичны базовым логическим операциям традиционных компьютерных чипов. Показано, что с помощью этого набора можно выполнять логические и арифметические операции и организовывать нужной длины циклы обработки. Другими словами, продемонстрирована принципиальная работоспособность компьютера новой конструкции, эффективность которого зависит не от аппаратного обеспечения (распараллеленный массив клеток, нечувствительных к задержкам, можно делать сколь угодно большим), а практически полностью опирается на программирование качественных алгоритмов.

Среди задач, хорошо ложащихся на такой вычислитель, можно отметить «искусственный интеллект», обычно требующий опробований большого количества возможностей по ветвям дерева поиска; симуляторы нейросетей, использующие большое количество клеток-нейронов для параллельной работы; симуляторы физических систем, воспроизводящие взаимодействия большого количества частиц друг с другом. Но пока это все проекты. Реально же ученые планируют в ближайшие два года упростить конструкцию клеток для облегчения процесса их изготовления (химическим синтезом). Параллельно за пять-семь лет планируется построить компьютер-прототип на основе традиционных технологий для вычислительных экспериментов и общего тестирования новой архитектуры. На полное же создание асинхронного клеточного нанокомпьютера положен немалый срок в двадцать лет.