Criado um computador termodinâmico, que usa ruído aleatório para calcular

Com informações da New Scientist - 22/01/2024

Essa arquitetura poderá viabilizar um tipo totalmente novo e mais poderoso de inteligência artificial.
[Imagem: Denis Melanson et al. - 10.48550/arXiv.2312.04836]

Computador termodinâmico

Uma empresa emergente norte-americana surpreendeu ao apresentar uma versão funcional de um tipo totalmente novo de computador, um computador termodinâmico, que realiza cálculos usando o ruído aleatório inerente ao nosso mundo.

Construído usando componentes eletrônicos comuns, do mesmo tipo usado nos computadores atuais, essa máquina pioneira poderá ser usada para rodar programas de inteligência artificial com mais eficiência do que os computadores eletrônicos.

Nos computadores convencionais, todos os cálculos são reduzidos a sequências de 0s e 1s, representadas pelos estados ligado ou desligado de bilhões de interruptores minúsculos, os transistores. No entanto, esses computadores precisam enfrentar ruídos termodinâmicos aleatórios, como uma parte de um circuito aquecendo e transformando inesperadamente um 0 em 1.

Esse ruído causa erros, mas Patrick Coles e seus colegas da emergente Normal Computing descobriram como construir um computador que tire vantagem desse ruído, por assim dizer fazendo uma limonada desses limões-ruídos.

O feito foi possível porque a equipe descobriu uma correspondência natural entre a matemática de um tipo de inteligência artificial, chamada IA probabilística, e a física da termodinâmica. Isto significa que o hardware construído para reconhecer e explorar o ruído termodinâmico também pode aumentar a eficiência energética da computação probabilística de IA - essa computação baseada em ruídos usa os chamados bits probabilísticos, ou p-bits, que apresentam probabilidades, em vez de taxativos "0" ou "1"..

Assim, a equipe criou um computador termodinâmico que, em vez de uma CPU (Central Processing Unit), possui uma "unidade de processamento estocástico" ou SPU (Stochastic Processing Unit).

O computador probabilístico é constituído por uma série de osciladores.
[Imagem: Denis Melanson et al. - 10.48550/arXiv.2312.04836]

Computador baseado em ruído

Um computador baseado em ruído recebe suas entradas do ambiente físico, e não por meio de um teclado. Por exemplo, ele detectará que seus componentes ficaram mais quentes; como um componente aquecido muda naturalmente de temperatura, esfriando até uma temperatura ambiente mais estável, o computador aproveita esse processo para realizar um cálculo. O resultado do cálculo é lido medindo as propriedades do estado de equilíbrio do computador - o estado em que ele é excepcionalmente estável e sua temperatura e tensão não mudam mais.

Como o componente quente mudaria a temperatura em qualquer caso, explorar isso para realizar um cálculo torna o computador energeticamente mais eficiente.

O protótipo de computador termodinâmico consiste em uma placa de circuito impresso semelhante às utilizadas nos computadores convencionais. São oito circuitos interconectados, cada um dos quais armazena energia em uma oscilação elétrica - um pouco como uma versão elétrica de um pêndulo oscilante. Para usar a SPU, ela é exposta a correntes elétricas cheias de ruído, ou seja, correntes com flutuações aleatórias de pequena amplitude, em vez do fluxo constante de uma corrente normalmente filtrada.

Os pesquisadores realizaram diferentes cálculos alterando essas correntes de entrada, ajustando os circuitos para que, por exemplo, um dos pêndulos oscilantes tenha maior influência sobre a forma como os outros sete oscilam. Para ver o resultado, o estado da SPU é medido usando várias propriedades, incluindo as correntes e tensões de seus circuitos.

O processador termodinâmico usa variações da corrente para computar.
[Imagem: Denis Melanson et al. - 10.48550/arXiv.2312.04836]

IA que reconhece a própria ignorância

A SPU foi testada rodando com sucesso um programa que consegue encontrar o inverso de uma matriz matemática, que pode ser um cálculo muito desafiador, mas que tem aplicações em inúmeros algoritmos de uso corrente.

Também foram executados vários programas que são importantes para construir e usar algoritmos generativos de IA. O mais interessante chama-se "quantificação da incerteza", que poderá eventualmente ajudar a "construir uma IA que sabe o quanto ela própria não sabe," disse Faris Sbahi, membro da equipe.

"A proposição fundamental por trás da computação termodinâmica é que, essencialmente, se fôssemos menos prescritivos ao dizer ao hardware o que fazer, e deixássemos que ele fizesse esses [processos] termodinâmicos que já estão lá, de forma mais natural - então obteremos sistemas de IA muito mais capazes e provavelmente alguns que serão muito mais eficientes em termos energéticos," acrescentou seu colega Todd Hylton.

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