Een nieuw soort computerchips

Een computerchip die berekeningen uitvoert op basis van waarschijnlijkheden, in plaats van binaire logica, kan alles, van online bankieren tot flash geheugen in smart phones, veel sneller doen werken. Door de fundamentele functies van computerchips te herschrijven, heeft het bedrijf Lyric Semiconductors, de eerste "kans processor" ontwikkeld. Dit is een computerchip gemaakt van silicium die nog steeds werkt met elektrische signalen, maar deze elektrische signalen stellen hier nu de kans voor en dus niet meer de digitale '1' en '0'. De oprichter van Lyric Semiconductors, Ben Vigoda, onderzocht deze techniek als thesis voor zijn doctoraat aan MIT. En door computerchips terug vanaf nul te gaan opbouwen was het mogelijk om statistische berekeningen op een veel simpelere en energie-efficiëntere manier te gaan implementeren.

De wiskunde die aan de basis ligt van deze nieuwe computerchips wordt bij talloze applicaties gebruikt. Dus deze computerchips kennen dus enorm veel potentiële toepassingen. Bijvoorbeeld wanneer men een krediet-kaart gebruikt bij een online betaling dan wordt deze gecontroleerd om fraude tegen te gaan, deze controle maakt gebruik van kansberekeningen. Een ander voorbeeld is uw spamfilter van uw mailbox, deze maakt ook gebruikt van kansberekeningen voor het bepalen of dat een e-mail al dan niet spam is. Nog een ander voorbeeld is van bij Amazon, een e-commerce bedrijf die boeken verkoopt, daar kan een gebruiker aanbevelingen bekijken van boeken die hij waarschijnlijk interessant zal vinden. Deze aanbevelingen zijn gebaseerd op vorige aankopen en het bepalen hiervan maakt ook gebruik van kansberekeningen. Bij al deze berekeningen wordt er data vergeleken op zoek naar overeenkomstige elementen. Het implementeren van deze berekeningen kan veel eenvoudigere gedaan worden indien men gebruik maakt een computerchip die werkt met kansen. Dit laat toe om veel kleinere computerchips te bouwen die hetzelfde werk kunnen uitvoeren maar tegen een veel sneller tempo.

De elektrische signalen in deze computerchip stellen de kansen voor in plaats van '1' en '0'. Computerchips ofwel geïntegreerde schakelingen zijn eigenlijk het hart van computers en andere elektronische apparaten. Transistors zijn eigenlijk de bouwstenen waaruit een computerchip gemaakt is. Transistors dienen voornamelijk om signalen te versterken of om deze te schakelen. Deze transistors worden in de conventionele computerchips veelal gebruikt om een digitale NAND-poort te maken. Een NAND poort bezit twee of meer ingangen en 1 uitgang. De logische toestand van de uitgang is uitsluitend '0', als alle ingangen '1' zijn. In alle andere gevallen in de uitgang '1'. Met deze NAND-poorten kan men alle mogelijke digitale logische functies implementeren.

Maar in deze nieuwe computerchip, die kansberekeningen gebruikt, wordt er met een ander soort bouwstenen gewerkt, de zogenaamde Bayesiaanse NAND-poort. En bij deze wordt het theorema van Bayes gebruikt. Het theorema van Bayes is een regel uit de kansrekeningen waarop de berekeningen die deze nieuwe computerchip gebruikt gebaseerd zijn. Wanneer de uitgang van een conventionele NAND-poorten een '0' is wanneer de ingangen gelijk zijn, is het zo dat bij de Bayesiaanse NAND-poorten het uitgangssignaal evenredig is met de kans dat de twee "input-waarschijnlijkheden" gelijk zijn. Dus deze computerchips kunnen dus berekeningen uitvoeren waarbij zowel de ingangen als de uitgangen kansen zijn. En hierdoor kunnen toepassingen waarbij er gebruikt gemaakt wordt van kansen en kansberekeningen veel simpeler en efficiënter werken met deze nieuwe computerchips.

Lyric Semiconductors werkt al sinds 2006 aan deze technologie. Momenteel ondervindt Lyric Semiconductors nog een aantal moeilijkheden om deze computerchips betrouwbaar te maken en om deze op verschillende schalen te maken. Daarnaast is het moeilijk om aan te tonen dat deze veel eenvoudiger te programmeren zijn aangezien dit een volledig verschillende aanpak vereist. Het bedrijf plant dat het binnen drie jaar prototypes zal produceren die gebruikt kunnen worden voor de algemene toepassingen om gelijk welke kansberekening uit te voeren. Deze eerste chips van het bedrijf zijn vooral gericht om de efficiëntie te vergroten en de grootte te verkleinen van het flash geheugen die gebruikt wordt in gadgets zoals smart phones en tablets.

Flashgeheugen is een niet-vluchtige vorm van extern geheugen en maakt het mogelijk om door middel van één programmeeractie op verschillende plekken in het geheugen te schrijven of te wissen. Flashgeheugen is een niet-vluchtig geheugen, dit wil zeggen dat de data behouden wordt ook wanneer de spanning wordt afgezet. Flashgeheugen chips worden dus gebruikt om data op te slaan in de vorm van een elektrische lading. Maar deze opgeslagen elektrische lading zijn zeer onstabiel en een kleine verandering kan ervoor zorgen dat de betekenis van de opgeslagen data verandert of onleesbaar wordt. Bij het uitlezen van deze opgeslagen data komen er hierdoor soms heel wat fouten voor. Zo zou tussen 1/100 en 1/1000 bits die uitgelezen worden foutief zijn in vergelijking met de data die opgeslagen werd. Deze fouten kunnen opgespoord worden met speciale chips en deze fouten kunnen dan ook hersteld worden. Maar deze speciale chips maken gebruik van kansberekeningen die niet eenvoudig te implementeren zijn met digitale logica. Deze nieuwe computerchips zouden ideaal zijn voor deze taak omdat deze wel eenvoudig kansberekeningen kan uitvoeren.

Lyric Semiconductors heeft al verschillende testen uitgevoerd om te kijken tot hoever hun chips al in staat zijn om deze berekeningen om fouten op te sporen uit te voeren. De resultaten van deze testen toonden aan dat hun nieuwe chips maar 1/30 van de plaats in nemen en dat ze maar 1/12 van de energie verbruiken in vergelijking met de conventionele chips die binaire logica gebruiken. Momenteel is het opsporen van de fouten bij de data opgeslagen in flashgeheugen een 'bottle neck' voor de capaciteit en de prestaties van het flashgeheugen. In de toekomst zal het opsporen van de fouten in de uitgelezen data van het flashgeheugen steeds belangrijker gaan worden. De computerchips van Lyric Semiconductors zo kunnen samen werken met conventionele computerchips en andere elektronische componenten. Als de huidige problemen met de betrouwbaarheid en de schaal van deze nieuwe chips kunnen opgelost worden, dan worden deze computerchips een erg interessante aanvulling de toekomstige gadgets.

via [technologyreview]