Новый ПРОЦЕССОР на физическом уровне оперирует не «жёсткими» нулями и единицами, а вероятностями, что тот или иной бит равен 0 или 1. Базовые принципы построения компьютеров, неизменные вот уже более шестидесяти лет, пошатнулись. Бинарная логика уступила место иным правилам.

Вероятностный процессор оперирует вероятностями и не работает на базе булевой логики. Такие чипы могли бы найти применение в некоторых областях, для которых традиционные процессоры, работающие с единицами и нулями, подходят не очень хорошо, рассказывает один из основателей Lyric Дэвид Рейнольдс (David Reynolds). «С целью разработки более подходящего решения, мы решили начать с нуля, базового элемента вычислительных систем - транзистора».

Основатели Lyric Semiconductor Бен Вигода (Ben Vigoda) и Дэвид Рейнольдс обладают многолетним опытом работы в отрасли полупроводниковых приборов, цифровых, аналоговых и также смешанных вычислительных систем.

Компания Lyric Semiconductor при поддержке Пентагона планирует выпустить первый ПРОЦЕССОР, который будет оперировать вероятностями вычислениями в 2013 году.

Lyric Semiconductor - молодая американская компания, первые четыре года после создания работала «скрытно», а теперь, когда ей есть что показать публике, вышла в свет, удивив мир первым вероятностным процессором. ПРОЦЕССОР построен на основе весьма необычных логических вентилей, названных «байесовский NAND».

Необычное название, характеризующее отличие этих схем от «просто NAND» (последний выполняет битовую операцию 2И-НЕ), отсылает к английскому математику 18 века Томасу Байесу. Конечно, Байес и не помышлял, что его идеи когда-то будут востребованы разработчиками ПРОЦЕССОРОВ, а просто сделал большой вклад в развитие теории вероятностей (байесовская вероятность, теорема Байеса). Ныне этот математический аппарат применяется во многих приложениях, например в байесовской фильтрации спама.

Новый ПРОЦЕССОР благодаря хитрой архитектуре в 30 раз меньше по площади, потребляет в 12 раз меньше энергии и в 4 раза лучше по пропускной способности, чем его функциональный традиционный аналог. Правда, разработанный процессор предназначен под крайне узкий тип задач, но более универсальный его вариант уже виднеется на чертежах.

В целом, вычисления вероятностей намного более распространены, чем кажется на поверхностный взгляд. Они включены в операции, которые происходят при проверке банковской карты, они используются, когда интернет-магазин предлагает клиенту дополнительные товары, они незаменимы и когда требуется спрогнозировать поведение финансового рынка.

До сих пор такого рода задачи решались классическими бинарными машинами, управляемыми соответствующим программным обеспечением. Перевод данных операций на более глубокий физический уровень сулит колоссальное ускорение приложений. А это значит, что нужен ПРОЦЕССОР, в вентилях которого входные и выходные «биты» - это вероятности, отражённые уровнем электрического сигнала.

Определение возможности события, ранее требовавшее развёрнутой программы, выполняемой большим количеством транзисторов, с новым чипсетом сводится к операции в одном или нескольких вентилях. В них не только исходные сигналы - вероятности, но и выходной – тоже. Это вероятность того, что две входные вероятности совпадали по величине.

Первый микропроцессор, созданный по новой технологии, назван LEC - Lyric error correction. Это специализированная схема, задача которой - выявление и исправление ошибок в твердотельной (флэш) памяти, то есть поиск ячеек, в которых стоит 0 вместо 1 или наоборот.

В сегодняшних флэш-чипах при чтении данных ошибочным оказывается примерно один бит из тысячи. С таким недостатком справляются микрочипы коррекции. Опираясь на уникальный код, записываемый каждый раз, когда данные поступают в память, они вычисляют контрольную сумму и определяют какие биты оказались «перевёрнутыми».

В будущем ради уплотнения памяти и снижения её стоимости производители полупроводниковых схем могут пойти на допущение начального уровня ошибок в 1 бит на 100. С их исправлением будет непросто справляться микрочипам традиционной архитектуры. Потребуется увеличивать их размер и сложность. Но такая задача просто идеально подходит вероятностному процессору. Собственно, крохотный LEC уже сегодня может без труда «вылавливать» ошибки битов в количестве 1 на 100.

LEC уже готов для лицензирования, и компания надеется, что в течение двух лет такие схемы найдут себе место в смартфонах и КПК. Но прежде чем новинка получит массовое распространение, Lyric Semiconductor предстоит доказать надёжность и масштабируемость инновационной технологии.

Параллельно компания уже разрабатывает следующий продукт - GP5 - универсальный программируемый вероятностный процессор.

По мнению разработчиков, новый ПРОЦЕССОР будет идеальным помощником в таких областях, как поисковые движки или, к примеру, системы расшифровки генома. Ради этого микрочипа пришлось придумать не только новый вид вентилей и новую архитектуру, но даже новый язык программирования - PSBL - Probability Synthesis to Bayesian Logic, то есть вероятностный синтез байесовской логики. Код, написанный на PSBL, и будет запускаться на родном для него GP5.

Производительность этого процессора должна на три порядка превышать возможности классических бинарных систем с массовой архитектурой x86.

Также в тысячу раз будет меньше мощность и стоимость комплексов, необходимых для выполнения определённого объёма вычислений из областей статистики и вероятности. То есть в задачах такого плана один чип от Lyric заменит тысячу классических процессоров.

Пресс-секретарь Lyric говорит: «Мы хорошо знаем, земля усеяна трупами микропроцессорных стартапов, которые ожидали, что их клиенты смогут программировать незнакомым им путём. Мы не просим наших покупателей делать это. Мы планируем поставлять комплексные решения для определённых сегментов рынка».

Работу над процессором Вигода начал много лет назад ещё в Массачусетском технологическом институте. Основанная в 2006 году компания Lyric Semiconductor, насчитывающая всего 30 сотрудников, в 2013 планирует приступить к поставкам тестовых образов вероятностного процессора GP5. Основным инвестором проекта выступает Управление перспективных исследовательских программ в области обороны США - DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), которое выделило разработчику $18 миллионов. Военные рассчитывают, что вероятностные процессоры окажутся полезными в системах машинного наблюдения и в комплексе противоракетной обороны. Последний должен быстро выделять атакующие боеголовки среди ложных целей и просто помех.

Поскольку применение новой технологии явно выходит за рамки военного назначения, не удивительно, что Lyric получила ещё $2 миллиона от инвестиционных фондов и частных инвесторов.

Современные вычислительные системы способны просчитывать вероятность тех или иных событий. Они используются в финансовой сфере, при поиске компьютерных уязвимостей и спама. Разница между ними и процессором GP5 будет заключаться в вычислительных способностях. Так, один вероятностный процессор сможет собирать данные с нескольких тысяч серверов. Вероятностный процессор с несколькими транзисторами сможет обрабатывать такой же объем данных, как интегральная схема с 500 транзисторами-триггерами. Система же с тысячью такими процессорами позволит добиться гигантской экономии электрической энергии, утверждают разработчики. Это особенно актуально в информационный век, когда дальнейшее расширение дата-центров начинает упираться в потребляемую ими мощность и выделение тепла.

Специалисты отмечают, что в случае успеха GP5 будет олицетворять пятый вид процессоров общего назначения в дополнение к центральным процессорам (CPU), цифровым сигнальным процессорам (DSP), графическим процессорам (GPU) и программируемым вентильным матрицам (FPGA). Каждый из видов обладает собственной архитектурой, логикой и языками программирования.

На пути коммерциализации проекта Lyric придется решить множество задач. Помимо разработки нового языка программирования, компания должна придумать, в какой памяти будут храниться вероятности, а также на каком техпроцессе стоит изготавливать ее и сам процессор. Предполагается, что дополнительным финансовым подспорьем станут микрочипы для коррекции ошибок во флэш-памяти, производство которых компания уже готова лицензировать.