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  • Um novo processador que resolve problemas matemáticos notoriamente complexos

    Visão geral da pesquisa de STATICA, uma nova arquitetura de processador. Crédito:Instituto de Tecnologia de Tóquio

    Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio projetaram uma nova arquitetura de processador que pode resolver problemas de otimização combinatória muito mais rápido do que os existentes. Otimizações combinatórias são problemas complexos que aparecem em muitos campos da ciência e da engenharia e são difíceis para os computadores convencionais lidar, tornando as arquiteturas de processador especializadas muito importantes.

    Muitas vezes, os problemas matemáticos usados ​​em engenharia e outras aplicações científicas envolvem cálculos complexos que estão além das capacidades dos computadores modernos em termos de tempo e recursos. Esse é o caso de problemas de otimização combinatória.

    A otimização combinatória consiste em localizar um objeto ou solução ótima em um conjunto finito de possíveis. Esses problemas se manifestam em finanças como otimização de portfólio, em logística como o conhecido "problema do caixeiro viajante, "no aprendizado de máquina, e na descoberta de medicamentos. Contudo, os computadores atuais não conseguem lidar com esses problemas quando o número de variáveis ​​é alto.

    Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio, em colaboração com o Laboratório da Universidade Hitachi Hokkaido, e a Universidade de Tóquio, agora projetou uma nova arquitetura de processador para resolver especificamente problemas de otimização combinatória expressos na forma de um modelo de Ising. O modelo de Ising foi originalmente usado para descrever os estados magnéticos dos átomos (spins) em materiais magnéticos. Contudo, este modelo pode ser usado como uma abstração para resolver problemas de otimização combinatória porque a evolução do spin, que tende a atingir o chamado estado de menor energia, espelha como um algoritmo de otimização procura a melhor solução. Na verdade, o estado dos spins no estado de menor energia pode ser mapeado diretamente para a solução de um problema de otimização combinatória.

    A arquitetura de processador proposta, chamado STATICA, é fundamentalmente diferente dos processadores existentes que calculam os modelos Ising, chamados annealers. Uma limitação da maioria dos recozedores relatados é que eles consideram apenas as interações de spin entre as partículas vizinhas. Isso permite um cálculo mais rápido, mas limita suas possíveis aplicações. Em contraste, STATICA está totalmente conectado e todas as interações spin-to-spin são consideradas. Embora a velocidade de processamento do STATICA seja menor do que a de recozedores semelhantes, seu esquema de cálculo é melhor, uma vez que usa atualização paralela.

    Na maioria dos recozedores, a evolução dos spins (atualização) é calculada iterativamente. Este processo é inerentemente serial, o que significa que as alternâncias de giro são calculadas um a um porque a alternância de um giro afeta todo o resto na mesma iteração. Em STATICA, o processo de atualização é realizado em paralelo usando o que é conhecido como autômato de células estocásticas. Em vez de calcular estados de spin usando os próprios spins, STATICA cria réplicas dos giros e são usadas interações giro para réplica, permitindo o cálculo paralelo. Isso economiza muito tempo devido ao número reduzido de etapas necessárias. "Provamos que as abordagens convencionais e o STATICA derivam a mesma solução sob certas condições, mas STATICA faz isso em N vezes menos etapas, onde N é o número de spins no modelo, "diz o Prof. Masato Motomura, quem liderou este projeto. Além disso, a equipe de pesquisa implementou uma abordagem chamada atualização de rotação dirigida por delta. Porque apenas os giros que mudaram na iteração anterior são importantes ao calcular a seguinte, um circuito seletor é usado que envolve apenas os spins que inverteram em cada iteração.

    STATICA oferece consumo de energia reduzido, maior velocidade de processamento, e melhor precisão do que outros recozedores. "O STATICA visa revolucionar os processadores de recozimento resolvendo problemas de otimização baseados no modelo matemático de autômatos celulares estocásticos. Nossas avaliações iniciais forneceram resultados sólidos, "diz o Prof. Motomura. Refinamentos adicionais farão do STATICA uma escolha atraente para otimização combinatória.


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