Обычные компьютеры обрабатывают и хранят информацию с помощью отдельных компонентов — процессора и блока памяти. Поскольку передача данных с одного компонента на другой может быть энергозатратной, многие инженеры-электронщики пытаются разработать новые устройства, в которых для хранения и обработки информации используется один компонент.
Такие системы, называемые вычислительными системами в оперативной памяти, потенциально могут обрабатывать данные быстрее, чем современные компьютеры, при этом потребляя меньше энергии. Мемристоры — электрические компоненты, способные запоминать количество электрического заряда, прошедшего через них за последнее время, — на сегодняшний день являются наиболее перспективными для реализации вычислений в оперативной памяти.
Мемристоры можно использовать для создания аналоговых компьютеров — устройств, которые представляют и обрабатывают информацию, используя непрерывно изменяющиеся физические параметры, такие как напряжение или сила тока, в отличие от цифровых компьютеров, использующих двоичные значения (0 и 1). Поскольку эти компьютеры зависят от свойств, которые могут различаться в зависимости от устройства, их производительность может варьироваться из-за присущей устройствам стохастичности, производственных дефектов или других факторов, связанных с аппаратным обеспечением.
Исследователи из Гонконгского университета и лаборатории Hewlett Packard представили новый математический подход, который может позволить аналоговым компьютерам на основе мемристоров выполнять точные вычисления даже при наличии этих дефектов. Предложенная ими стратегия, описанная в статье в журнале Nature Electronics, может способствовать разработке нового отказоустойчивого и энергоэффективного аналогового вычислительного оборудования.
«Наша ключевая идея заключается в том, чтобы представить матрицу косвенно, говорят ученые — Мы раскладываем целевую матрицу на произведение двух регулируемых подматриц, которые часто бывают меньше исходной. Поскольку такое разложение не единственно, мы можем математически подобрать вариант, который будет работать в обход неисправных устройств, оставляя их на тех значениях, на которых они застряли, при этом общее вычисление будет корректным.»
Математический подход, разработанный этой исследовательской группой, может быть адаптирован для различных аналоговых компьютеров на основе мемристоров и применяться для выполнения различных типов математических операций. Кроме того, он не требует от исследователей переподготовки алгоритмов или доступа к исходным данным, используемым для их обучения.