Блог компании М.Видео-Эльдорадо. Автор: Федор Добровицкий. Первые компьютеры были аналоговыми и представляли собой массивные мейнфреймы, заполненные электронными лампами. Они были очень громоздкие, сложные в программировании, дорогие в обслуживании и ограниченные в точности. Позже интегральные микросхемы сделали вычисления более дешёвыми и надёжными.

С 1970-х годов XX века аналоговая технология начала постепенно отмирать, поскольку точность аналоговой электроники всегда ограничивалась её компонентами. Независимо от того, в оборудовании использовались ли зубчатые колеса, вакуумные трубки или химическая плёнка: точность была ограничена производственными допусками и ухудшалась со временем.

Сегодня миром правят цифровые устройства. ПК, ноутбуки, смартфоны, электромобили, камеры наблюдения, устройства для умного дома и другая цифровая электроника формирует будущее. Никто не ожидает, что дисковые телефоны или арифмометры приползут из небытия. Дискеты, VHS-кассеты, электронно-лучевые трубки — покоятся с миром. Точно так же не используют старые аналоговые компьютеры в центрах обработки данных.

Но аналоговая технология может вернуться. Возвращение аналоговых компьютеров в гораздо более продвинутых формах, чем их исторические предки, радикально и навсегда может изменить мир вычислений. У компаний Кремниевой долины есть секретные проекты по созданию аналоговых чипов для ИИ. Компания Mythich разработала «первый аналоговый матричный процессор с искусственным интеллектом».

Мур и Нейман

Две основные проблемы тормозят темпы развития цифрового оборудования: конец закона Мура и архитектура фон Неймана. В течение 60 лет люди пользовались постоянно растущим мощным аппаратным обеспечением, как и предсказывал Гордон Мур в 1965 году, но по мере того, как человечество приближается к минимальному теоретическому размеру транзисторов, его хорошо продуманный закон, подходит к концу. Другой хорошо известной проблемой является необходимость в архитектуре фон Неймана перемещать данные из памяти в процессор и обратно для выполнения вычислений. Этот подход всё чаще заменяется вычислениями в памяти (compute-in-memory, CIM) или вычислениями рядом с памятью, которые значительно снижают пропускную способность и задержку памяти при одновременном повышении производительности.

Современные цифровые системы искусственного интеллекта используют тип памяти, называемая статической оперативной памятью или SRAM, которая требует постоянного электропитания для хранения данных. Её схема должна оставаться включённой, даже когда она не выполняет задачу. Инженеры много сделали для повышения эффективности SRAM, но этому есть предел.

Типичные архитектуры фон Неймана и ИИ плохо сочетаются, поскольку большие объёмы данных, перемещаемых в память и из неё, наряду с высокими тактовыми частотами, не способствуют маломощной и высокопроизводительной обработке ИИ. Это представляет серьёзную проблему для аппаратного обеспечения ИИ.

Перемещение данных из памяти в процессор может потреблять в 200 раз больше энергии, чем само вычисление. ALU — арифметико-логическое устройство. PE — processing element. RF — reg file.

Компания Mythic утверждает, что создала уникальное решение, меняющее парадигму, которое обещает преодолеть ограничения цифровых технологий, обеспечивая при этом улучшенные характеристики по сравнению с лучшими в своем классе цифровыми решениями: аналоговый вычислительный движок (Analog Computing Engine, ACE). Исторически аналоговые компьютеры были заменены цифровыми из-за меньшей стоимости и размера последних, а также их универсальности. Однако в нынешнем ландшафте ИИ преобладают глубинные нейронные сети (DNN), которые не требуют предельной точности и, что более важно, большая часть вычислительного объёма приходится на одну операцию: умножение матриц. Прекрасная возможность для аналоговых вычислений.

Мифический чип

Аналоговый чип Mythic потребляет меньше энергии за счёт хранения нейронных синапсов не в SRAM, а во флэш-памяти, которая не потребляет энергию для сохранения своего состояния. Флэш-память встроена в процессорный чип, конфигурацию, которую Mythic называет compute-in-memory. Вместо того, чтобы потреблять много энергии, перемещая миллионы байтов туда и обратно между памятью и процессором (как это делает цифровой компьютер), некоторая часть вычислений выполняются локально. Традиционно вычисление необработанных векторных матриц выполняется в аналоговой области чипа. Всё остальное обрабатывается в цифровой области.

Разница между стандартной архитектурой и CIM

Что вызывает беспокойство, так это то, что Mythic снова вводит проблемы с точностью аналогового сигнала. Флэш-память не хранит данные в виде последовательности 1 и 0, как логические микросхемы старой школы. Флэш хранит промежуточные значения напряжения (а их целых 256!), чтобы имитировать различные состояния нейронов в мозгу, и встаёт вопрос, не будут ли эти значения дрейфовать со временем. Mythic, кажется заинтересована в аналоговых вычислениях постольку, поскольку конкретные аналоговые процессы могут снизить требования к энергии и памяти для ИИ, а не выполнять фундаментальные битовые вычисления.

Со своим первым коммерческим чипом, M1076, Mythic удвоила возможности использования компьютерного зрения, создав систему, которая может помочь обнаруживать небольшие объекты на дальних расстояниях менее чем за 33 миллисекунды.