Komputery to nie tylko zera i jedynki

Zróbmy małe ćwiczenie. Zamknij oczy i wyobraź sobie komputer.

Co zobaczyłeś? Prawdopodobnie rzędy identycznych układów scalonych, migające zera i jedynki, albo elegancki laptop bądź buczący serwer. To obraz, który znamy od pół wieku: obliczenia to cyfrowa sprawa. Kropka.

Tylko że to nie jest cała prawda.

Zaginiona przestrzeń obliczeń

To, co mnie fascynuje w dzisiejszej technologii, to fakt, że zbudowaliśmy tę niesamowitą, globalną infrastrukturę logiki cyfrowej — i zrobiliśmy to tak dobrze, że zapomnieliśmy, iż istnieją inne sposoby liczenia.

Wyobraź sobie, że nakręciliśmy film oscarowy i nagle przekonaliśmy samych siebie, że jedynym sensownym formatem zapisu obrazu jest JPEG. W pewnym sensie właśnie to zrobiliśmy z obliczeniami.

A prawda jest taka, że fizyka sama w sobie przeprowadza obliczenia. Układy pogodowe rozwiązują równania różniczkowe. Twój mózg wykonuje operacje, przy których najszybsze superkomputery płaczą ze śmiechu. Wszechświat jest, w bardzo realnym sensie, jednym wielkim komputerem analogowym działającym na zasadach, które ledwie rozumiemy.

Cyfrowe obliczenia nie wygrały, bo były lepsze. Wygrały, bo były do ogarnięcia. Dwa stany — zero i jedynka — oznaczają mniej problemów produkcyjnych, łatwiejszą korekcję błędów, czystsze abstrakcje dla programistów. Zawarliśmy układ: mniejsza wydajność w zamian za przewidywalność. I szczerze? Był to uczciwy handel. Zbudowaliśmy internet, komputery mobilne i sztuczną inteligencję na tym fundamencie.

Ale zaczynamy uderzać w ściany. Zużycie energii w centrach danych staje się nie do utrzymania. Prawo Moore'a zwalnia. Tranzystory upychane na chipach są tak małe, że zaczynają zachowywać się... dziwnie.

Może warto przypomnieć sobie, że mamy w skrzynce narzędziowej coś jeszcze.

Co to właściwie jest obliczanie analogowe

Zanim pójdziemy dalej, rozwikłajmy trochę ten temat dla tych, którzy nie spędzili życia w laboratoriach elektronicznych.

Tradycyjne tranzystory robią jedną rzecz: przełączają się między stanem włączonym i wyłączonym. Są cyfrowe z definicji, zaprojektowane tak, by ignorować wszystko pomiędzy. Myśl o włączniku światła — albo świeci, albo nie. Cała twoja cyfrowa infrastruktura działa na miliardach malutkich, idealnie wypielęgnowanych włączników.

Obliczanie analogowe mówi: a co jeśli nie musielibyśmy ignorować tego, co jest pomiędzy?

Kiedy pozwolisz tranzystorom działać w ich naturalnym, ciągłym stanie — gdzie prąd może płynąć z dowolną wartością między całkowitym wyłączeniem a pełnym włączeniem — odblokowujesz coś niezwykłego. Podstawowe operacje matematyczne, jak dodawanie, całkowanie czy rozwiązywanie równań różniczkowych, stają się niemal trywialnie proste. Pojedynczy tranzystor może mnożyć. Prąd naturalnie sumuje się, gdy połączysz obwody. To nie obejścia — to cechy, które obwody cyfrowe muszą symulować z ogromnym kosztem.

No i jest haczyk. Obwody analogowe są piekielnie kapryśne. Minimalne różnice produkcyjne, które systemy cyfrowe zbywają wzruszeniem ramion, w konstrukcjach analogowych stają się katastrofalne. Ta ciągła natura, która daje analogowi jego siłę, sprawia jednocześnie, że jest wrażliwy na szumy, temperaturę i szepty świata kwantowego.

Przez dziesięciolecia ta wrażliwość trzymała obliczenia analogowe w niszowych zastosowaniach — radiach, czujnikach, kilku projektach wojskowych. Korzyści były jasne, ale inżynieryjne bóle głowy wydawały się nie do pokonania.

Przełom, o którym nikt nie mówi

A teraz robi się ciekawie, i szczerze mówiąc, dziwię się, że tak mało osób o tym słyszało.

Naukowcy znaleźli sposoby, by obwody analogowe były programowalne. Nie w ten prymitywny sposób z zewnętrznymi rezystorami jak w starych komputerach analogowych, ale naprawdę reprogramowalne po wyprodukowaniu. Korzystając z technik zapożyczonych z inżynierii neuromorficznej i zaawansowanych procesów półprzewodnikowych, zespoły budują teraz platformy analogowe, które łączą energooszczędność obliczeń analogowych z elastycznością, jakiej oczekujemy od współczesnych systemów.

Liczby powalają. Mówimy o stukrotnej až tysiąckrotnej redukcji zużycia energii dla określonych zadań. Dla pojedynczej operacji mnożenia? Pojedynczy tranzystor analogowy może zrobić to, do czego potrzeba tysięcy tranzystorów cyfrowych pracujących wspólnie.

Innymi słowy: gdybyśmy mogli przenieść choćby część odpowiednich zadań na zoptymalizowany sprzęt analogowy, implikacje dla zużycia energii w centrach danych, żywotności baterii i generowania ciepła byłyby rewolucyjne.

Dlaczego powinno cię to obchodzić

Wiem, o czym myślisz: „To brzmi jak badania, które nie dotkną systemów produkcyjnych przez dekady."

Racja. Ale weź pod uwagę: badania już produkują działające chipy. Firmy budują platformy. Przepaść między „eksperymentalnym wynikiem" a „technologią gotową do wdrożenia" zamyka się szybciej, niż większość ludzi zdaje sobie sprawę.

Co ważniejsze, rozumienie tych podstawowych trendów pomaga podejmować lepsze decyzje architektoniczne. Każde pokolenie obliczeń przynosi nowe prymitywy, nowe sposoby myślenia o problemach. Programiści, którzy będą rozkwitać w następnej dekadzie, nie tylko rozumieją software — rozumieją, jak software mapuje się na coraz bardziej zróżnicowane podłoże pod spodem.

Chmura to już nie tylko serwery w piwnicach. To heterogeniczny krajobraz CPU, GPU, FPGA, TPU i powstających akceleratorów specjalnego przeznaczenia. Obliczenia analogowe to kolejny element tego krajobrazu, który się kształtuje.

Co dalej

Nie sugeruję, że jutro masz przepisywać swoje aplikacje w jakimś nowym języku analogowym. Prawda jest taka, że wiele aplikacji zawsze będzie faworyzować cyfrową precyzję i elastyczność.

Ale dla konkretnych dziedzin — przetwarzanie sygnałów, wnioskowanie sieci neuronowych, pewne problemy optymalizacyjne, interfejsy czujników — obliczenia analogowe oferują korzyści, które stają się coraz bardziej przekonujące, gdy budżety energetyczne się kurczą, a wymagania efektywności rosną.

W NameOcean obserwowaliśmy takie cykle wielokrotnie. Pojawiają się nowe prymitywy. Deweloperzy, którzy rozumieją je pierwsi, budują systemy definiujące następną erę. Niezależnie od tego, czy hostujesz pierwsze wdrożenie startupu, czy architekturyzujesz infrastrukturę dla tysięcy użytkowników, obserwowanie tego, co dzieje się na poziomie sprzętowym, zwraca się z nawiązką.

Cyfrowa rewolucja dała nam obliczenia, na których można polegać. Analogowe odrodzenie może nam dać obliczenia, na które wreszcie nas stać.

Tranzystory czekają, by znów poczuć świat. Zobaczmy, co mogą nam jeszcze pokazać.