Kết nối máy tính All to All giúp tối ưu hóa hiệu quả hơn

Hand drawn red, blue, and black squares with numbers at the vertices.

Máy Kết Nối Tham Gia Tất Cả Để Tối Ưu Hóa Tốt Hơn #MáyTính #TốiƯuHóa #KếtNối #SựKiện

Các vấn đề tối ưu hóa – như lập lịch hàng trăm trận đấu bóng đá quốc gia (NFL) trong National Football League (NFL) với mục tiêu tuân thủ nhiều quy tắc của liên đoàn – có thể đòi hỏi tài nguyên máy tính rất lớn. Một số vấn đề như vậy là không thực tế ngay cả đối với các máy tính siêu vi tính hiện nay. Được truyền cảm hứng từ hiện tượng lượng tử và các cách tính khác dựa trên vật lý, các nhà nghiên cứu đã cố gắng phát triển các máy tính đặc biệt có thể giải quyết những vấn đề khó khăn này nhanh hơn và hiệu quả hơn.

Trong nỗ lực mới nhất như vậy, các kỹ sư tại Đại học Minnesota đã tìm ra cách để mã hóa những vấn đề này vào một con chip được xây dựng bằng các mạch CMOS tiêu chuẩn. Giống như những chiếc máy gọi là máy Ising khác, nó mô phỏng một mạng nổi liên kết của các spin từ tính. Nhưng khác với những chiếc khác, nó đã kết nối tất cả 48 spin với nhau. Trong vài năm qua, những kết nối này đã được chứng minh là quan trọng để nhanh chóng giải quyết nhiều vấn đề.

“Mục tiêu này có ý nghĩa quan trọng”, – Peter McMahon, Đại học Cornell.

Các mô hình Ising chuyển đổi các vấn đề tối ưu hóa thành một tập hợp các moment từ tính nối tiếp nhau, có thể là “lên” hoặc “xuống”. Các spin này được kết nối với nhau và các spin lân cận muốn có hướng ngược nhau. Vấn đề tối ưu hóa được ánh xạ thành mạnh mẽ và tính chất của các kết nối này. Toàn bộ bộ sưu tập sau đó được phép giãn cách để đạt được trạng thái gần như mỗi spin đạt được điều mà nó muốn; tổng năng lượng của hệ thống được giảm thiểu và đó là câu trả lời cho vấn đề tối ưu hóa.

Thực hiện điều này trong phần mềm hoặc thậm chí trong phần cứng số được thiết kế để tăng tốc độ thuật toán Ising đã đạt một số thành công, nhưng nó đã bị giới hạn. Phương pháp mới này “sử dụng thiên nhiên để giải quyết vấn đề,” theo Chris Kim, giáo sư điện tử tại Đại học Minnesota, người dẫn đầu nghiên cứu này. “Thiên nhiên muốn yên giấc ở một trạng thái năng lượng thấp hơn.”

Trái tim của con chip là một mảng các mạch nghịch đảo được nối tiếp. Chaining một mạch nghịch đảo sau một mạch khác tạo ra một mạch dao động. Mảng này về cơ bản là 48 bộ dao động cả theo hướng ngang và dọc. Tại nơi mỗi dao động ngang và dọc gặp nhau là một kết nối có trọng lượng đại diện cho sức mạnh của liên kết giữa hai spin. Như vậy, mỗi spin được kết nối với tất cả các spin khác.

Sự tương tác của các dao động tạo ra một cách mô phỏng mô hình Ising chuyển động đến một trạng thái năng lượng thấp hơn. Sau vài micro giây, mạch đọc pha của các dao động tại các điểm khác nhau, mang lại câu trả lời.

Con chip đầu tiên được tạo ra trong quá trình 65 nm, sử dụng các bộ khuếch đại gian. Kim hy vọng sẽ tạo ra một phiên bản trong công nghệ tiên tiến hơn sử dụng FinFET để chứng minh rằng nó vẫn hoạt động ngay cả khi thu nhỏ.

Nhóm của ông cũng đang lên kế hoạch phát triển một khối mạch sẽ nhanh chóng kiểm tra chất lượng của giải pháp mà các mạch Ising đến. Các tăng tốc tối ưu hóa có thể bị kẹt ở một giải pháp hoạt động nhưng không phải là tốt nhất có thể. Để giải khỏi tình trạng này, bộ kiểm tra chất lượng sẽ xáo lộn giải pháp, chạy lại mô hình, so sánh các câu trả lời và có thể lặp lại quá trình. Những thay đổi nhỏ này có thể dẫn đến câu trả lời tối ưu nhất.

Nghiên cứu này, được công bố trong Nature Electronics tháng trước, là kết quả đầu tiên từ dự án trị giá 6,8 triệu đô la của chương trình DARPA Quantum-Inspired Classical Computing (QuICC). Mục tiêu là chỉ ra con đường đến việc cải tiến hiệu suất gấp 500 lần trong lượng năng lượng cần thiết để giải quyết các vấn đề tối ưu lớn liên quan đến Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ. Con chip thử nghiệm của Kim đã tiêu thụ 105 miliwatt cho vấn đề có kết nối đến nhau nhiều nhất mà nó đã giải quyết, nhưng vấn đề với các kết nối rải rác chỉ tiêu thụ ít nhất 16 miliwatt. Nhóm Minnesota đã hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Intel trong quá trình kiểm tra.

Kích thước của các vấn đề tối ưu hóa là vấn đề chính đối với việc máy tính Ising có ảnh hưởng lớn, theo Chris Kim, không có khả năng công nghệ này có thể cung cấp các kết nối all-to-all cần thiết cho các vấn đề liên quan đến công nghiệp. Các nhà nghiên cứu sẽ phải tìm cách khai thác hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn mảng này để giải quyết các vấn đề lớn, giống như nhiều GPU được sử dụng

Nguồn: https://spectrum.ieee.org/ising-machine

Optimization problems—such as scheduling the hundreds of National Football League (NFL) games while attempting to abide by the league’s many, many rules—can take huge computing resources. Some such problems are impractical even for today’s supercomputers. Inspired by quantum phenomena and other physics-based ways of computing, researchers have been trying to develop dedicated computers that can solve these thorny problems faster and more efficiently.

In the latest such effort, engineers at University of Minnesota have come up with way to encode these problems onto a chip built using standard CMOS circuits. Like other so-called Ising machines, it models an interconnected network of magnetic spins. But unlike others, it manages to connect all 48 spins to each other. In the past few years, such all-to-all connections have proven to be key to quickly tackling many problems.

“48 all-to-all connections is a non-trivial milestone.”
—Peter McMahon, Cornell University

Ising models turn optimization problems into a collection of interconnected magnetic moments, or spins, which can be either “up” or “down”. These spins are connected to each other, and neighboring spins want to have opposite directions. The optimization problem is mapped to the strength and polarity of these connections. The whole collection is then allowed to relax into a state where it gets as close as it can to all the spins getting what they want; the total energy of the system is minimized, and that’s the answer to the optimization problem.

Doing this in software or even in digital hardware designed to speed Ising algorithms has had some success, but it’s been limited. The new approach “uses nature to solve the problem,” says Chris Kim, the University of Minnesota professor of electrical engineer who led the research. “Nature wants to settle down to a lower energy state.”

The heart of the chip is an array of interconnected inverter circuits. Chaining one inverter after another produces an oscillator circuit. The array is basically 48 oscillators in both the horizontal and vertical directions. Where each horizontal and vertical oscillator meet is a weighted connection representing the strength of the link between two spins. In that way every spin is connected to every other.

The oscillations interact in a way that mimics an Ising model moving to a lower energy state. After a few microseconds, a circuit reads the phase of the oscillations at different points, delivering the answer.

The first chip was made in a 65-nm process, which uses planar transistors. Kim hopes to make a version in a more advanced technology that uses FinFETs to prove that it works even when scaled down.

His team also plans to develop a block of circuits that would rapidly check the quality of the solution that the Ising circuits come up with. Optimization accelerators can get stuck at a solution that works but isn’t the best one possible. To get it unstuck, the quality checker would perturb the solution, run the model again, compare the answers, and possibly loop through the process again. These little nudges can eventually deliver the optimal answer.

The research, published in Nature Electronics last month, was the first to emerge from $6.8 million grant from the DARPA Quantum-Inspired Classical Computing (QuICC) program. The goal is to point a path to a 500-fold performance improvement in the amount of energy needed to solve big optimization problems relevant to the U.S. Department of Defense. Kim’s test chip consumed 105 milliwatts for the most densely connected problem it solved, but problems with sparse connections took as little as 16 milliwatts. The Minnesota group collaborated with researchers at Intel on the testing.

The size of optimization problems

The biggest stumbling block toward the Ising chip’s having a big impact, according to Kim, is that it’s unlikely that this technology can deliver the much larger all-to-all connections needed for industrially relevant problems. Researchers will have to find a way to leverage hundreds or even thousands of these arrays to solve large problems, in the way that many GPUs are used to train large AIs.

Nevertheless, even getting to 48 is an accomplishment.

“48 all-to-all connections is a non-trivial milestone,” says Peter McMahon, an assistant professor of applied engineering and physics at Cornell University who is part of a competing team in DARPA’s quest for Ising technology. “The headline result sounds really impressive, and there’s really some novelty in the way they achieved this.”

McMahon is a pioneer in optical Ising machines, which rely on pulses of light, a technology Microsoft Research has been developing. But in the DARPA program, he’s part of a team working on an Ising chip based on superconducting circuits.

McMahon agrees with Kim that a big problem facing these technologies is that few interesting problems fit into 48-spins that can’t already be solved efficiently on a CPU.

Hand drawn red, blue, and black squares with numbers at the vertices.The new chip started as a hand-drawn sketch.Chris Kim

But researchers at Princeton University have found one problem that does. 5G and future 6G wireless relies on the use of so-called massive multiple input multiple output (MIMO) antenna systems. Such systems send and receive signals on multiple antennas at once to increase the data rate. However, interference is inevitable with so many antennas active at once. There are algorithms to untangle the signals, but they are currently too cumbersome for base station computers to complete in the few milliseconds they have.

The solution today is to have way, way more antennas available at the base station than there are cellular users in the area, which is inefficient to say the least. The Princeton team, which includes McMahon and is led by Kyle Jamieson, came up with an Ising model solution that doubles throughput compared to the industry standard and could fit in the chip-scale systems DARPA is developing. Kim’s group has begun a collaborating with the Jamieson’s team.

From Your Site Articles

Related Articles Around the Web


[ad_2]

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *