Onderzoekers ontwikkelen nieuwe chiptechnologie

Onderzoekers van de Rice universiteit en de Singaporese NTU hebben een nieuw type processor ontwikkeld die zich niet aan Booleaanse regels houdt, maar berekeningen op basis van kansen maakt. De chips zouden sneller en zuiniger zijn.

Een conventionele processor maakt gebruik van zogenoemde Boolean logica, waarbij operaties op basis van bijvoorbeeld 'AND' of 'NOR' worden uitgevoerd. Rice-docent Krishna Palem en doctoraalstudent Lakshmi Chakrapani van de Nanyang Technological Universiteit in Singapore ontwikkelden een alternatieve processortechnologie: pcmos. Deze techniek, vernoemd naar 'probabilistic cmos' is compatibel met de gangbare cmos-techniek, maar maakt gebruik van waarschijnlijkheden om getallen en uitkomsten te manipuleren.

Palem en Chakrapani ontwikkelden de waarschijnlijkheidslogica voor het nieuwe type processors. De pcmos-processors functioneren bij een veel lagere spanning, tot dertig keer minder, dan normale processors. Wanneer fouten onwenselijk zijn, zoals bij conventionele logica, dient de spanning waarmee de elektronica werkt verhoogd te worden. De spanning van pcmos-componenten mag echter veel lager zijn, waarbij de optredende fouten door de waarschijnlijkheidsalgoritmes worden opgevangen. Ook de snelheid van pcmos-chips kan dankzij de lage spanning en hoge foutmarge enkele malen groter dan die van conventioneel silicium zijn.

De onderzoekers hebben als proof-of-concept enkele asic's ontwikkeld die voor encryptie ingezet kunnen worden. Pcmos zou voor die toepassing bij uitstek geschikt zijn, aangezien versleuteling kan profiteren van de willekeur die door fouten in de pcmos-logica wordt veroorzaakt. Ook andere asic's, zoals chips voor grafische toepassingen, zouden van de pcmos-techniek kunnen profiteren. Palem denkt de pcmos-chips binnen vier jaar voldoende ontwikkeld te hebben om toepassingen in embedded apparatuur, waaronder mobieltjes, mogelijk te maken.

Reacties (40)

[chrisboers]

Ik zal het wel te simplistisch bekijken, maar volgens mij is het principe achter deze 'nieuwe technologie' al wel heel oud.

Al in mijn studie-tijd (ruim 15 jaar geleden inmiddels) kreeg ik bij 1e jaars Electrotechniek uitgelegd dat chips gebruik maken van zgn 'flop-flop' technieken, waarbij een combinatie van voldoende spanning en de juiste 'threshold' nodig waren om nauwkeurig een '1' of een '0' te bepalen, waarbij lagere spanning een extra foutmarge introduceerden, die gecorrigeerd kon worden door de threshold lager te zetten.

Uiteindelijk een kwestie van risico-bepaling van het percentage '1'en dat als '0' gedetecteerd wordt.

Blijkbaar hebben deze onderzoekers besloten een hogere foutmarge te accepteren, en dat vervolgens als een heel nieuwe 'vinding' gepresenteerd.

[Mar2zz]

Als het lukt om theorie als eerste om te zetten in een uitvinding is er sprake van een nieuwe vinding.

[hollandismad]

De vinding is niet de theorie erachter(die bestond al), maar het maken van een chip-ontwerp op basis van die theorie waarmee in de praktijk gewerkt kan worden. Het grootste deel ervan is waarschijnlijk de waarschijnlijkheidsalgoritmes, want zonder die kan je niets met die al bestaande theorie. De onderzoekers hebben dus niet alleen "besloten een hogere foutmarge te accepteren". Er zit wel meer achter dan dat.

[Verwijderd]

Uiteraard begrijp ik dit principe (nog) niet goed, maar het stukje over de spanning doet me vermoeden dat bij lage spanning foutjes voorkomen in de berekeningen.

Betekent dit in de praktijk dan dat een processor bijvoorbeeld 8 / 3 berekent en als antwoord geeft: ongeveer 2,66? En als je dan betere resultaten wilt, je het voltage omhoog moet schroeven?

[Rob Coops]

Of dat je een mischien wel blue screen of death melding in Windows krijgt (even snel de spanning op voeren

Nou nee ik denk niet dat dit het geval is het zal denk ik zo zijn dat je een chip maakt die je nodig hebt voor bijvoorbeeld een decoding met een bepaalde precisie. Daar bij maakt het voor de decoding van een filmpje op een 400x800 schermpje niet heel veel uit als er in een frame een pixel niet helemaal de juiste kleur heeft bijvoorbeeld. En mischien kun je zelfs wel voor 4 pixels per 3 frames gaan, en dus het energie verbruik terug dringen, dat helpt dan weer om de batterij van je telefoon langer mee te laten gaan.
Ook voor audio (weer een telefoon) is het niet heel erg van belang dat het geluid altijd helemaal perfect wordt weer gegeven, je mag best wel een beetje variatie in de kwaliteid hebben. Dat lever dan dus weer een besparing van verbruik op.

Denk dus niet aan een door jouw in te stellen spanning op de chips maar een fabrikant van het eindproduct voor af geselecteerde spanning die laag genoeg is om je baterij het lekker lang vol te laten houden maar hoog genoeg is om je niet te laten merken dat er af en toe een berekening niet helemaal juist is.

In een PC zul je dit soort chips denk ik niet snel zien gewoon omdat aller PC software op dit moment er van uitgaat dat je op 1 of 0 tegen komt en niet mischien wel 1 of 0 maar dat maakt toch niet zo veel uit.

[t_captain]

De bedoeling is dat de ingebouwde probabilistische algoritmes de afwijkingen die kunnen ontstaan door de zeer lage werkspanning weer compenseren. Het eindresultaat van de berekening is dan alsnog een harde "0" of "1".

De proof of concept toepassing van encryptie is in dat opzicht erg kritisch. Als je in een goed cryptografisch algoritme een bitje laat omvallen, heeft dat een grote impact op de uitkomst van de gehele operatie. Andersom: als de proof of concept ASICs betrouwbaar kunnen vercijferen en ontcijferen, dan bewijst dat de integriteit van de berekening. Dat geeft vertrouwen in het potentieel van deze chips voor andere toepassingen.

Ik ben van mening dat deze ontwikkelingen ronduit baanbrekend zijn. We hebben steeds meer chips die met beperkt stroomverbruik moeten werken, en die chips moeten bovendien steeds intensievere rekentaken uitvoeren. Denk bijvoorbeeld aan de evolutie van GSM naar smartphone. Maar ook aan een digitaal gehoorapparaat dat met een klein batterijtje heel lang moet draaien.
Een technologie die het stroomverbruik flink kan verminderen, heeft het in zich om over 10 jaar gemeengoed te zijn in embedded toepassingen en mobiele apparatuur.

[Mitsuko]

Het resultaat is volgens mij ook gewoon 1 of 0, maar intern wordt met waarschijnlijkheden gewerkt die voor error correctie zorgen. Ik neem aan dat de algoritmes voor de instructies wat complexer worden om deze waarschijnlijkheden en error correctie in te kunnen bouwen (met de maximale efficientie), en de betrouwbaarheid van het resultaat is op te schroeven (tot vrijwel 100%? Ik neem aan dat de berekeningen niet -horen- mis te gaan, maar dat dit door te lage spanning gebeurt) door de spanning te verhogen.

[Rapzar]

ik weet het ook niet, maar een wilde gok (ik werk ook op waarschijnlijkheid):

Jij geeft een voorbeeld van onnauwkeurigheid.

Als je bijvoorbeeld tien keer die 8/3 uitrekend,
je krijgt 9 maal antwoord A en 1 maal antwoord B
dan is het waarschijnlijk dat A correct is
Toch kan A nog steeds heel nauwkeurig zijn

Ik denk niet dat het zo werkt overigens, en als het wel zo is gaat je snelheidswinst al snel verloren als je alles tig keer uit moet rekenen.

[Reactie gewijzigd door Rapzar op 24 juli 2024 15:42]

[Verwijderd]

Kansen worden meestal in procenten weergegeven geloof ik. Dat zou betekenen dat het hoogste percentage als juist wordt bestempeld door de pcmos.

Kansberekening met minder storing/fouten:
90% A
10% B

Kansberekening met veel storing/fouten:
51% A
49% B

A = ondanks de storing/fouten nog degene met de hoogste kans.

Correct me if I'm wrong

Edit: een deel gewist, was zeker onjuist.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 24 juli 2024 15:42]

[Verwijderd]

Je kunt een berekeningen meerder keren tegelijk doen, door het circuit vaker uit te voeren. Dit hoeft echter alleen voor de meest significante delen van de berekening.

Voorbeeld:
1234
5678+
--------
6912

In dit voorbeeld zou je b.v alleen het optellen van de 5 en 1 met grote zekerheid (b.v. 3 keer) hoeven uit te rekenen, om toch een grote kans te hebben om in de buurt te zitten.

Als je een circuit 3 keer uitvoert en de kans dat eentje een fout antwoord geeft 1/1000 is. Dan is de kans op 2 of 3 fouten slechts 3/1000000

[Auredium]

Leuk, ik kan me voorstellen dat sommige toepassingen hier wel nut bij hebben.

Maar eigenlijk, en noem mij vreemd, zie ik hier een grote AI toepassing in. Dit omdat er uit wordt gegaan van kansen en minder van harde uitkomsten wat de boel flexibeler maakt en waardoor de chip beter met real life kan om gaan.

Denk aan stemherkenning en hersengolven uitlezen.

[bbr]

Iets meer in de richting van biologische processors misschien?
Daarbij zal het ook niet snel 100% accuraat zijn. Als programmas daar mee overweg kunnen zou het waarschijnlijk makkelijker zijn om ooit te implementeren.

[chrisboers]

Je bedoelt de analog computer, de vóórloper van de huidige, digitale computer?

http://en.wikipedia.org/wiki/Analog_computer

[phosporus]

het eerste gedeelte klopt.
hoe de chip het oplost als het wel accuraat moet zijn weet ik niet maar dit zou idd mogelijk zijn.

[Hoover]

Doet me een beetje hier aan denken

http://en.wikipedia.org/w...inite_Improbability_Drive

[Verwijderd]

Dit zal net zo worden al cell. Er zitten voordelen aan alleen programmeurs moeten te veel moeite doen om de processor te besturen (ik weet niet of dat bij de pcmos ook zo is).

[Bozozo]

Ik zie poorten als MAYBE, PROBABLY NOT en ONLY ON TUESDAYS in het verschiet

[Verwijderd]

Ja, en als je de helpdesk belt dan kunnen ze met een gerust hart melden dat "de computer een foutje heeft gemaakt". En we kunnen er niks meer tegenin brengen.

[Lolandros]

Zoals gezegd is dit echt voor kleine toepassingen. Een PC zal waarschijnlijk zoveel berekeningen per seconde maken dat die bufferalgoritmes niet alle fouten kunnen oppikken.