Manoma, kad dabartinės architektūros kompiuterių skaičiavimo galia pasieks savo maksimumą per artimiausius 10-25 metus. Tačiau net ir tada kompiuteriai nepajėgs tinkamai susitvarkyti su tam tikrais uždaviniais, kuriuos sprendžiant reikia įtraukti daugybę kintamųjų ir atrinkti patį optimaliausią sprendinį iš daugybės galimų.
Tačiau prestižiniame žurnale „Science“ pasirodžiusiame straipsnyje mokslininkai siūlo kitokios architektūros kompiuterį, kurio veikimas pagrįstas optiniu ir elektriniu duomenų apdorojimu. Jeigu jį pavyktų padidinti, tokia netradicinė mašina galėtų efektyviai surasti optimalų uždavinio sprendinį, net ir egzistuojant neįtikėtinam galimų variantų skaičiui.
„Tam tikra prasme ši mašina yra pirmoji tokia savo klasėje ir ji atveria naują netradicinių skaičiavimo mašinų tyrimų sritį, – pasakoja Stanfordo universiteto (JAV) mokslininkas ir pagrindinis straipsnio autorius Piteris Makmanas (Peter McMahon). – Jos kūrimas iškelia daugybę klausimų ir mes tikimės, kad per kelerius ateinančius metus keliolika mokslininkų grupių imsis panašių tyrimų ir stebės, ar visa tai išdegs.“
Egzistuoja konkreti uždavinių klasė, apimanti kombinatorinę optimizaciją, su kuria tradiciniams kompiuteriams labai sunku susidoroti netgi apytiksliai. Pats žymiausiais pavyzdys yra vadinamasis keliaujančio pirklio uždavinys, kuomet pirklys turi aplankyti konkrečius miestus – kiekvieną tik vienąkart – ir grįžti į pradinį miestą, iš kurio iškeliavo. Svarbiausias uždavinio aspektas – pirklys tai turi padaryti pačiu optimaliausiu maršrutu. Nors iš pažiūros tai neatrodo pernelyg sudėtinga, tačiau galimų maršrutų kiekis labai staigiai išauga, kuomet įtraukiama vis daugiau miestų, ir būtent tai apsunkina skaičiavimus.
„Tokie uždaviniai yra milžiniškas iššūkis ne tik standartiniams, bet net ir superkompiuteriams, nes augant kintamųjų skaičiui galiausiai pasiekiama tokia situacija, kai peržiūrėti visus galimus sprendinius užtruktų milijardus metų, – teigia kitas straipsnio bendraautoris Alirezas Marandis (Alireza Marandi). – Tai galioja ir superkompiuteriams, nes galimų variantų skaičius auga didžiule sparta.“
Nors keliaujantis pirklys primena senovę ir atrodo neaktualus šiais laikais, tokio sudėtingo uždavinio sprendimas galėtų turėti įtakos daugybei svarbių sričių. Paprasčiausi pavyzdžiai – optimalaus maršruto radimas tiekimo sunkvežimiams, bevielių tinklų persiklojimo minimizavimas ir baltymų susivyniojimo nustatymas. Netgi mažas postūmis šiose srityse leistų sutaupyti įspūdingas pinigų sumas, ir būtent dėl to kai kurie mokslininkai visą savo karjerą praleidžia bandydami sukurti algoritmus, kurie duotų kaip galima tikslesnius tokio tipo uždavinių sprendinius.
Stanfordo universiteto tyrėjų komanda sukūrė vadinamąją Izingo mašiną, kurios pavadinamas kilęs iš matematinio magnetizmo modelio. Tokia mašina veikia kaip programuojamas dirbtinių magnetukų tinklas, kuriame kiekvienas iš jų nukreiptas į viršų arba į apačią. Kaip ir realioje sistemoje, tikimasi, kad magnetukai užtikrins energetiškai žemiausią tinklo būseną.
Pagal teoriją, jeigu nagrinėjamą uždavinį perkeltume į magnetukų sistemą, tuomet šiems įgavus optimalias, žemiausios energijos kryptis, trokštamą sprendinį būtų galima nustatyti iš galutinės jų būsenos. Keliaujančio pirklio uždavinio atveju, kiekvienas Izingo mašinos magnetukas nusako miesto padėtį konkrečiame maršrute.
Užuot į pagalbą pasitelkę dirbtinių magnetukų tinklą, Stanfordo universiteto mokslininkai naudojo specialios rūšies lazerinę sistemą, kuri būdama įjungta išreiškia į viršų arba į apačią nukreiptus „sukinius“. Lazerio impulsai atstoja miesto padėtį maršrute, kuriuo galėtų keliauti pirklys. Ankstesnėje šios mašinos versijoje tyrėjai išskirdavo nedidelį kiekvieno impulso dalį, ją pavėlindavo ir pridėdavo prie paskesnių impulsų. Keliaujančio pirklio uždavinio atžvilgiu taip mašinai nusakomos jungtys ir atstumai tarp miestų. Impulsų tarpusavio ryšiai yra uždavinio programinis įgyvendinimas. Įjungus mašiną, optimaliausias sprendinys gaunamas išmatavus galutines impulsų fazes.
Tokios mašinos architektūros problema buvo ta, kad reikėjo sudėtingu būdu susieti didelį impulsų kiekį. Iš esmės tai buvo įgyvendinama, bet valdomas optinis kiekvieno impulso vėlinimas yra brangi ir sudėtinga operacija.
Naujasis Izingo mašinos modelis atskleidė, kad gerokai prieinamesnis ir praktiškesnis variantas yra valdomus optinius impulsų vėlinimus pakeisti skaitmenine elektronine grandine. Tokia grandinė atkartoja optines sąsajas tarp impulsų – uždavinio programinį įgyvendinimą, o lazerinė sistema jį išsprendžia.
Beveik visos medžiagos, panaudotos konstruojant naująjį modelį, yra standartiniai elementai, naudojami telekomunikacijose, o tai reiškia, kad visai realu kalbėti apie didesnę mašiną. Dabar kompiuteris gali sėkmingai susidoroti su 100 kintamųjų uždaviniu.
Įdomu tai, kad tyrėjų komanda iš Japonijos sukonstravo analogišką mašiną nepriklausomai nuo Stanfordo universiteto mokslininkų. Jų darbas taip pat publikuotas žurnale „Science“. Nors kol kas Izingo mašina dar negali nurungti įprastinių skaitmeninių kompiuterių atliekant kombinatorinę optimizaciją, jos potencialas milžiniškas ir tyrėjai nekantrauja išbandyti kitokio tipo uždavinius.
„Manau, kad tai daug žadantis alternatyvių kompiuterių paieškos kelias, – pabaigia pasakojimą A. Marandis. – Jis mus gali priartinti prie kai kurių sunkiausių įkandamų uždavinių sprendimo. Kol kas mes sukonstravome lazerio pagrindo kompiuterį, galintį imtis kai kurių uždavinių, ir sugebėjome gauti įkvepiančius rezultatus.“
Daugiau:
Nauja kompiuterinė programa, galinti atkartoti rašyseną
„Intel“ žengia žingsnius, leisiančius užsitikrinti vietą rinkoje pokompiuteriniame pasaulyje
Kompiuterinė programa, galinti taisyti pasenusį programinį kodą
Žengtas svarbus žingsnis žymiai spartesnių kompiuterių link
Kas pakeis dabartinę elektroninę atmintį?
Mokslininkai pristatė „matematikos Visatą“