記憶運算 學人腦思考(2/2)

記憶運算 學人腦思考(2/2)

撰文/Massimiliano Di Ventra & Yuriy V. Pershin|譯者/甘錫安
轉載自《科學人》2015年4月第158期

優勢何在?

2010年,我們試圖證明記憶運算元件的效能高於目前的電腦架構,處理的問題之一就是尋找走出迷宮的路徑。以往用於測試電腦硬體效率的方法是設計破解迷宮的程式,傳統的迷宮破解演算法是以不斷踏出一小步來探測迷宮。舉例來說,最著名的一種演算法稱為「沿牆法」(wall follower),程式會沿著迷宮的牆邊、避開所有的轉彎處,從入口走到出口,不斷運算;這種步步為營的方式速度十分緩慢。

我們透過數值模擬證明,記憶運算元件能以極快的速度解決迷宮問題。假設迷宮的每個轉彎處都有一枚憶阻器,所有憶阻器都處於高電阻狀態。如果在入口和出口之間施加電壓,則電流只會沿正確路徑通過,其他路徑因中斷而無以為繼。電流通過憶阻器時會改變電阻。去除電壓後,那些改變電阻的憶阻器儲存了迷宮解答路徑。如此一來,運算及儲存解答畢其功於一役;所有憶阻器可在同一時間計算解決方案。

這類平行處理與目前的平行運算完全不同。目前常見的平行運算電腦是把程式分成若干部份,以大量CPU分別計算,再彙整以求出最終答案。這種方式仍然必須在各個CPU和所屬記憶體(但實體上是分離的)之間傳輸資料,從而消耗大量電能和時間;但在記憶運算元件中完全不需要這麼做。

要全面展現記憶運算元件的優勢,可利用目前所知最困難的電腦科學問題:計算一大串整數的所有性質,人們以電腦試圖破解複雜密碼時,必須面對這類難題。舉例來說,給電腦100個整數,然後找出至少一個加總為零的子集合。電腦必須檢視所有可能的子集合,再加總每個子集合的所有數,依序運算每個可能的組合,處理時間將呈爆炸性增加。如果檢視10個整數需要一秒鐘,則檢視100個整數必須花費1027秒,相當於數百萬兆年。

就迷宮問題而言,記憶電腦採取真正的平行處理,不需要在一連串的運算過程中來回傳輸資料,只需一個步驟就可算完所有子集合與總和;這樣一氣呵成的方式只需要一秒鐘。

儘管擁有這些優勢,實驗室也已經製作出相關元件,記憶運算晶片目前仍然尚未商業化。學術機構和幾家生產廠商目前正在測試這些元件的初期版本,看看這種前所未有的設計是否經得起重複使用,足以取代目前以電晶體和電容器製造的記憶體晶片,那是USB隨身碟和固態硬碟中都看得到的晶片,但可能需要很長的測試時間,因為這些元件必須持續運作數年,不容許發生故障。

問世之路

我們認為有幾項記憶運算設計不久後就能正式問世。舉例來說,我們與義大利杜林理工大學的特拉維沙(Fabio Lorenzo Traversa)、波納尼(Fabrizio Bonani)兩位研究人員於2013年提出動態運算隨機存取記憶體(DCRAM)的概念,目的是取代用於儲存程式和資料、供CPU呼叫的現行記憶體。在這類記憶體中,是以儲存在電容器中的電荷來代表構成程式的所有資料,因此必須使用大量電容器來儲存一個程式。

但如果以憶容器取代電容器,就能在此記憶體內以較少的憶容器代表程式運作時所需的各種邏輯運算。只要施加不同的電壓,憶容器就能以極快的速度變換邏輯運算,只需要兩個憶容器就可處理「do × AND y」、「do × OR y」和「ELSE do z」等運算指令,不需要使用大量的電容器和電晶體。此外,我們也不需要改變基礎實體架構來執行不同的功能,在電腦術語中,元件依據輸入訊號類型、執行不同運算的特性稱為「多型性」(polymorphism)。人類大腦不需要改變架構就可執行其他工作,因此具有多型性,但目前的電腦沒有這種能力,因為CPU的電路是固定不變的。當然就記憶運算元件而言,是在記憶體內進行這些運算,所以不需要在記憶體和CPU間來回傳送資料而耗費時間和電能,程式計算結果可以儲存在同一個位置。

現有的生產設備即可製造這類系統,不需要大幅度的技術升級。唯一的阻礙因素是必須設計新軟體來控制記憶電腦,目前我們還不知道哪幾種作業系統控制這種新型電腦的效率最高。我們必須先做出這類電腦,再測試各種控制系統並進行最佳化;電腦科學家在研發現有的電腦時,也是採取相同的設計程序。

不少科學家還希望找出整合記憶運算元件與現有電腦的最佳方法。我們或許能夠以現有的處理器執行簡單事務(例如本文一開始Word中的句子),同時以電腦中的記憶運算元件執行更複雜且至今仍然十分耗時的運算;我們必須打造、測試、重新打造再重新測試。

不過思考這項技術在未來會有什麼進展,是件相當有趣的事。打造和測試完成後,出現在使用者面前的可能是足以一手掌握的小巧電腦,能夠處理圖形辨識或建立精細地球氣候模型等極端複雜的問題,而且只需要極少的運算步驟就能完成工作,耗費的電能和成本都極低。

你想不想也買一部呢?(完)

(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」取得網路轉載授權)

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