El circuito innovador resuelve muchos problemas que requieren una alta potencia de cálculo con un consumo mínimo de energía.

Desde la ramificación de los nervios de las hojas hasta las diversas vías interconectadas que propagan el coronavirus, la naturaleza se desarrolla en redes, redes que conectan los diversos elementos de sistemas complejos. Las redes están en la raíz de problemas tan reales como determinar la ruta más eficiente para que una compañía naviera entregue medicamentos que salvan vidas y calcular la menor cantidad de mutaciones necesarias para convertir una cadena de ADN en otra.

En lugar de depender del software para resolver estos enigmas computacionalmente exigentes, los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) adoptaron un enfoque poco convencional. Diseñaron un sistema de hardware electrónico que reproduce directamente la arquitectura de muchos tipos de redes.

Los científicos demostraron que su sistema de hardware propuesto, utilizando una técnica computacional conocida como raza lógica, puede resolver una variedad de acertijos complejos rápidamente y con un consumo mínimo de energía. La lógica de carrera requiere menos energía y resuelve los problemas de red más rápido que las computadoras de uso general de la competencia.

Investigadores como Advait Madhavan de NIST y la Universidad de Maryland en College Park y Matthew Daniels y Mark Stiles de NIST describen su trabajo en el Volumen 17 Número 3 (mayo de 2021) Revista ACM sobre tecnologías emergentes en sistemas informáticos.

Una característica clave de la lógica de carrera es que codifica la información de manera diferente a como lo hace en una computadora estándar. Normalmente, la información digital se codifica y procesa utilizando valores de bits de computadora: “1” si la instrucción lógica es verdadera y “0” si es falsa. Cuando un bit cambia su valor, digamos de 0 a 1, significa que se ha realizado una determinada operación lógica para resolver un problema matemático.

Por el contrario, la lógica de carrera codifica y procesa la información presentándola como señales de tiempo: el tiempo que tarda un determinado grupo de bits de computadora en ir o retroceder de 0 a 1. Un gran número de cambios de bits son la principal causa del alto consumo de energía. en computadoras estándar. A este respecto, la lógica de carrera tiene una ventaja ya que las señales codificadas en el tiempo solo implican unos pocos cambios de bits cuidadosamente orquestados para procesar la información, lo que requiere mucha menos energía que las señales codificadas como 0 o 1.

A continuación, el cálculo se realiza retrasando algunas señales de tiempo en relación con otras determinadas por la física del sistema en estudio. Por ejemplo, considere un grupo de conductores de camiones que comienzan en el punto A y necesitan entregar medicamentos al punto E lo más rápido posible. Diferentes rutas posibles conducen a través de tres cruces; nómbrelos B, C y D. Para determinar la ruta más eficiente , el circuito de lógica de carrera evalúa cada segmento posible de la ruta, como AB y AD. Si el AB necesita más tiempo para viajar que el AD, ya sea porque la ruta es más larga o porque tiene más tráfico, al AB se le asignará un tiempo de retraso más largo. En el diseño de ensamblaje, el retraso de tiempo más largo se implementa agregando resistencia adicional al segmento más lento.

La lógica de la carrera sí incluye la carrera, pero en esta competencia, todos los conductores de camiones inicialmente conducen en diferentes direcciones. Para determinar qué ruta a su destino es la más rápida, recorren todas las rutas posibles a través de varios puntos de entrega intermedios. En el nuevo circuito, los científicos del NIST colocaron un grupo de señales codificadas por tiempo en un punto de partida, cada una actuando como un controlador diferente que acelera a través de un circuito de hardware simulado del conjunto.

Cada vez que un conductor llega a uno de sus destinos de carrera intermedios, el sistema modelo envía nuevos conductores (nuevas señales de tiempo) que viajan en diferentes direcciones a los destinos restantes. Si un conductor llega a un destino donde ya ha estado otro conductor, está fuera porque su camino ya no es competitivo. El ganador de la carrera, el primer piloto en llegar al final de la pista, indica la solución de un rompecabezas específico que el equipo ha sido programado para resolver.

Madhavan comenzó a ser pionero en la lógica de la carrera. circuitos mientras estudiaba en la Universidad de California, Santa Bárbara en 2016. Estos primeros sistemas utilizaron circuitos y chips de silicio especializados que fueron diseñados para simular redes específicas, como la manipulación de ADN, y por lo tanto solo pudieron resolver un número limitado de problemas relacionados con la red.

En NIST, Madhavan y sus colegas comenzaron a trabajar en circuitos lógicos de carrera más avanzados. Las simulaciones de Madhavan, Daniels y Stiles demostraron que su diseño, aunque aún no está integrado en un dispositivo que funcione, podría admitir una clase mucho más amplia de redes, lo que permite que la lógica de carreras resuelva una gama más amplia de acertijos computacionales. Estos acertijos implican encontrar la mejor coincidencia entre dos proteínas o dos cadenas de nucleótidos, las moléculas que forman los componentes básicos del ADN, y determinar el camino más corto entre dos destinos en la red.

“Le mostramos cómo usar la memoria que no se usó en implementaciones anteriores de lógica de carrera para crear una computadora de tiempo más general”, dijo Stiles. “Habilitar la memoria nos permitirá resolver una amplia gama de problemas con la próxima lógica de carrera que planeamos hacer”, agregó.