Hybridschaltungen können die Rechenleistung chaosbasierter Systeme erhöhen

Neue Forschungsergebnisse der North Carolina State University haben ergeben, dass die Kombination digitaler und analoger Komponenten in nichtlinearen, auf Chaos basierenden integrierten Schaltkreisen deren Rechenleistung verbessern kann, indem eine größere Anzahl von Eingaben verarbeitet werden kann. Dieser „Best of Both Worlds“-Ansatz könnte zu Schaltkreisen führen, die mehr Berechnungen durchführen können, ohne ihre physische Größe zu erhöhen.

Informatiker und Designer haben Mühe, mit dem Mooreschen Gesetz Schritt zu halten, das besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren in einem integrierten Schaltkreis alle zwei Jahre verdoppelt, um den Verarbeitungsanforderungen gerecht zu werden. Sie stoßen hinsichtlich der Transistorgröße schnell an die Grenzen der Physik – es ist nicht möglich, die Transistoren weiter zu verkleinern, um mehr auf einen Chip zu passen.

Chaosbasiert, nichtlinear Schaltkreise Als Lösung für das Problem wurden vorgeschlagen, dass ein Schaltkreis mehrere Berechnungen durchführen kann, statt wie bisher „ein Schaltkreis, eine Aufgabe“-Design. Allerdings ist die Anzahl der Eingaben, die beim Chaos-based Computing verarbeitet werden können, begrenzt Umgebungsgeräusche, was die Genauigkeit verringert. Umgebungs Lärm bezieht sich auf zufällige Signalschwankungen, die durch Temperaturschwankungen, Spannungsschwankungen oder Halbleiterdefekte verursacht werden können.

„Lärm war schon immer ein großes Problem in fast allen technischen Anwendungen, einschließlich Computergeräten und Kommunikation“, sagt Vivek Kohar, Postdoktorand an der NC State und Hauptautor einer Arbeit, die die Arbeit beschreibt. „Unser System ist nichtlinear und daher kann Rauschen noch problematischer sein.“

Um das Problem anzugehen, haben die Forscher ein Hybridsystem entwickelt, das einen digitalen Block aus UND-Gattern und eine analoge nichtlineare Schaltung verwendet, um die Berechnung zwischen den digitalen und zu verteilen Analoge Schaltungen. Das Ergebnis ist eine exponentielle Reduzierung der Rechenzeit, was bedeutet, dass die Ausgabe gemessen werden kann, während die rauschbasierten Abweichungen noch gering sind. Kurz gesagt, die Berechnungen werden so schnell durchgeführt, dass Rauschen keine Zeit hat, ihre Genauigkeit zu beeinträchtigen.

Um die Genauigkeit weiter zu verbessern, koppeln die von Kohar und seinen Kollegen vorgeschlagene Lösung mehrere Systeme. Diese Kopplung stellt ein Sicherheitsnetz dar, das die Auswirkungen geräuschbedingter Abweichungen in der Endphase reduziert.

„Denken Sie an Bergsteigen“, sagt Kohar. „Die Kletterer können einzeln klettern, aber wenn einer ausrutscht, kann es zu einem gefährlichen Sturz kommen. Deshalb nutzen sie Seile, um sie miteinander zu verbinden. Wenn einer ausrutscht, verhindern die anderen, dass sie herunterfallen. Unser System ist in etwa so: Alle Systeme sind ständig miteinander verbunden.

„Die Systeme sind so abgestimmt, dass zum Zeitpunkt der Messung unsere System liegt an den Maxima oder Minima – den Punkten, an denen die Auswirkungen von Rauschen im Allgemeinen gering sind und viel geringer, wenn die Systeme gekoppelt sind. Betrachtet man noch einmal das Bergsteiger-Beispiel, bedeutet das, dass wir den Durchschnittswert der Kletterer nehmen, wenn sie sich an Rastplätzen wie dem Gipfel oder in einem Tal befinden, wo die Abstände zwischen ihnen am geringsten sind.“

Die Forschung erscheint in Angewandte körperliche Untersuchung.