Южнокорейские учёные объявили «третью эпоху транзисторов» — кремниевые осцилляторы будут решать сложные задачи

Учёные из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) разработали новую вычислительную систему на основе кремниевых осцилляторов (в более широком смысле — генераторов), способную решать сложные комбинаторные задачи значительно быстрее традиционных полупроводниковых компьютеров. Это может привести к появлению процессоров, которые будут в миллионы и миллиарды раз быстрее классических.

Классической комбинаторной задачей считается задача коммивояжёра, когда необходимо рассчитать оптимальный маршрут с посещением множества пунктов. Классические компьютеры решают её методом перебора или с использованием особых алгоритмов, что всё равно занимает много времени.

Значительный прогресс в решении комбинаторных задач обещают квантовые системы и, в частности, системы с квантовым отжигом, например, уже распространённые платформы компании D-Wave. Впрочем, с имеющими практическую ценность квантовыми системами наш мир ещё не знаком. Вот тут-то и может сработать открытие корейских учёных. Они обещают решать такие задачи и множество других в сфере статистической физики, финансов, химии и материаловедения с помощью старых добрых кремниевых транзисторов, наделив их новыми свойствами.

Более того, корейские исследователи представили свою разработку с философским обоснованием. Мол, первые транзисторы — это эпоха ключей, когда эти элементы играли роль коммутаторов сигналов. Вторая эпоха транзисторов — это усилители. Третья эпоха, которая наступает с новым открытием, — это транзистор как осциллятор, а множество транзисторов образуют вычислительную платформу на базе модели Изинга (статистические вычисления во множестве областей).

В своей основе модель Изинга разрабатывалась для описания намагничивания материала и оперирует спинами атомов в кристаллической решётке. Такая система стремится к наименьшей энергии, и её конечное состояние явит результат вычисления, если её воплотить в той или иной машине Изинга (а варианты на этот счёт есть и это не обязательно кубиты). Для специфических задач машина Изинга проведёт расчёт или моделирование за несколько часов, тогда как классической системе для получения того же результата потребуются тысячи лет непрерывной работы.

В основе южнокорейской разработки лежит так называемая осцилляторная машина Изинга — специализированный вычислитель, в котором множество осцилляторов обмениваются сигналами и синхронизируют свои частоты, естественным образом находя наиболее устойчивое состояние системы, что эквивалентно переходу в наименее энергетически затратное состояние. Именно это состояние соответствует оптимальному решению задачи. Исследователи смогли реализовать как сами осцилляторы, так и элементы связи между ними с помощью обычных кремниевых транзисторов, что позволило повысить точность синхронизации и улучшить обработку сложных вычислительных моделей.

Эксперименты показали высокую эффективность системы при решении задачи максимального разреза графа, широко используемой в логистике, финансовом анализе и проектировании полупроводниковых схем. Главным преимуществом технологии является её совместимость с существующим КМОП-производством, что делает возможным массовое внедрение без необходимости создания новых фабрик или использования специальных материалов. Это открывает перспективы коммерческого применения разработки в промышленности уже в ближайшем будущем.

Разработка приобретает особую ценность в условиях, когда миниатюризация транзисторов приближается к физическим пределам. Новая концепция может стать основой для создания принципиально новых вычислительных архитектур и изменить будущее полупроводниковой индустрии. Третья эпоха транзисторов не за горами, уверены учёные. Во всяком случае, считать это так есть много веских оснований.