Базарная логика

Парадоксу стохастического резонанса, при котором шум, вместо того чтобы портить слабый сигнал, как в радиоприемнике, наоборот, усиливает его, скоро исполнится 30 лет. Идея использовать его в цифровых электронных схемах давно витает в воздухе.

Термин "стохастический резонанс" звучит для большинства ученых почти так же дико, как "детерминированный хаос". Тут же срабатывает защитная реакция: пахнет очередной "уткой", придуманной только для того, чтобы выбить побольше денег на исследования. Ведь сегодня в науке, словно на базаре, действует правило: не обманешь - не продашь. И речь вовсе не о банальном надувательстве. Обвести вокруг пальца коллег и армию рецензентов - задача практически невозможная, а обман, рано или поздно обнаруженный, карается в научной среде беспощадно. За каждой научной статьей, опубликованной в приличном журнале, обычно стоит добросовестно выполненная работа. Но вот интерпретация результатов и особенно описание возможных приложений, которые сулят золотые горы... Тут-то, бывает, и приврут. То есть будут излишне оптимистичны в прогнозах.

О том, что действительно сулит осязаемый экономический эффект, не трезвонят, а быстренько патентуют и втихую доводят до стадии коммерческого продукта.

Но парадоксу стохастического резонанса, при котором шум, вместо того чтобы портить слабый сигнал, как в радиоприемнике, наоборот, усиливает его, скоро исполнится уже три десятка лет. Он всего на двадцать лет моложе детерминированного хаоса, который удивляет внешне случайным поведением систем с однозначно заданной эволюцией. И оба явления были открыты на моделях изменения климата и погоды.

Ученые долго не могли понять, как очень слабые колебания вытянутости земной орбиты с периодом в сто тысяч лет приводят к ледниковым периодам. Все объяснил стохастический резонанс с сезонными и прочими колебаниями земного климата, которые на таких временных масштабах можно считать случайным шумом. Именно шум провоцировал переключения между двумя устойчивыми состояниями теплого климата и оледенения. Позже похожие явления обнаружили и описали во многих других нелинейных системах - от кольцевых лазеров и туннельных диодов до химических реакций, нейронных сетей и социальных моделей.

Детерминированный хаос стал популярен полвека назад, после того как он помог метеорологу Лоренцу объяснить, почему предсказать погоду дольше, чем на несколько дней вперед, принципиально невозможно. Дело в том, что даже простейшие уравнения, описывающие поведение атмосферы, оказались так чувствительны к начальным данным, что неудачный взмах крыльев бабочки в Австралии способен через неделю привести к образованию тайфуна в Америке. Однако для науки тридцать лет и даже полвека не срок, и стохастический резонанс пока не стал привычным инструментом инженеров, оставаясь известным лишь узкому кругу специалистов.

Понять механизм возникновения стохастического резонанса можно на простом примере. Представим себе мячик в овраге с двумя глубокими колеями на дне. Периодический сигнал так слаб, что способен слегка раскачивать мячик в колее, но не может перебросить его в соседнюю. Но если к сигналу мы добавим случайные пинки, то мячик сможет иногда перепрыгивать из колеи в колею. А если свойства колеи и пинков таковы, что в среднем эти перескоки будут происходить на частоте сигнала, то наступит резонанс, и мячик почти всегда будет скакать туда-сюда. А если пинки будут слишком сильными, мячик начнет прыгать по всему оврагу, и сигнал опять потеряется. Так случайный шум (но лишь подходящей амплитуды) может сильно увеличить амплитуду сигнала.

Идея использовать стохастический резонанс в цифровых электронных схемах давно витает в воздухе. Ведь чем меньше размеры транзисторов в чипе и слабее в них ток, тем сильнее сказывается принципиально неустранимый шум от тепловых колебаний атомов, дробовый шум электронов и прочие виды шумов. Инженерам становится всё труднее надежно удерживать заданное напряжение логических состояний чипа. И вполне естественно попытаться как-то использовать эти неустранимые шумы для пользы дела.

Важный шаг в этом направлении удалось недавно сделать команде американских и индийских теоретиков. Ученые рассмотрели простейшую систему, описываемую одним уравнением с двумя устойчивыми стационарными состояниями, которым можно приписать логические нуль и единицу. Такую систему легко сделать из нескольких транзисторов. На ее вход в виде обычных прямоугольных импульсов поступает произвольная последовательность из двух цифровых сигналов. Они складываются друг с другом и со случайным шумом. Оказалось, что при подходящем уровне шума в системе возникает стохастический резонанс, и она ведет себя как логический вентиль NOR (НЕИЛИ) или NAND (НЕИ). А из таких вентилей можно собрать любую логическую схему. Больше того, управляя смещением, легко переключаться между NOR и NAND, то есть на лету менять архитектуру процессора.

Несмотря на шум, вероятность безошибочного переключения вентиля близка к единице. Кроме того, у стохастического резонанса с прямоугольными импульсами на входе есть целое плато оптимального уровня шума. То есть вентили будут надежно работать, даже если шум увеличится, например, из-за нагрева процессора. По оценкам, уровень шума, оптимальный для такой гибкой логики, сопоставим с шумом транзисторов в чипах следующих поколений. А поскольку для переключения частично используется энергия самого шума, такие чипы должны быстро работать и слабо греться. То есть перспективы, по мнению авторов и некоторых специалистов, открываются самые радужные...

Из еженедельника "Компьютерра" № 14 (778)