صنعت تراشه‌های هوش مصنوعی وارد مرحله‌ای کاملاً نوآورانه شده است. شرکت Normal Computing اعلام کرده که تراشه CN101، نخستین «تراشه ترمودینامیکی» جهان، موفق به عبور از مرحله تولید نسخه واقعی اولیه شده است؛ گامی بزرگ در مسیر توسعه سخت‌افزارهای فیزیک‌محور برای مراکز داده AI/HPC. این تراشه برخلاف رایانش سنتی سیلیکونی که بر منطق قطعی متکی است، از نویز و تصادفی‌بودن به عنوان ابزار اصلی محاسبه استفاده می‌کند تا به بهره‌وری انرژی و توان محاسباتی بی‌سابقه‌ای دست یابد.
ایده واحدهای پردازشی بهینه و خلاقانه هر روز در بین جامعه طراحان سیستم‌های پردازشی محبوب‌تر می‌شود و در یکی از بدیع‌ترین و خاص‌ترین این روش‌ها، مهندسان شرکت نورمال کامپیوتینگ سراغ ایده‌ای رفته‌اند که در نگاه عادی یک مزاحم در یک ساختار پردازشی است ولی می‌تواند با استفاده صحیح، نجات‌بخش این صنعت باشد.
این شرکت تراشه پردازشی ویژه CN101 را به عنوان اولین تراشه «پردازنده ترمودینامیکی» جهان معرفی کرده است. این تراشه برخلاف تراشه‌های سنتی، از نویز و حالت‌های تصادفی برای حل مسائل پیچیده استفاده می‌کند و به گفته سازنده، می‌تواند تا ۱۰۰۰ برابر بهینه‌تر از تراشه‌های معمولی انرژی مصرف کند.
پردازنده ترمودینامیکی چیست؟
تراشه‌های ترمودینامیکی، از نظر عملی به رایانش احتمالاتی و کوانتومی نزدیک‌تر هستند تا به پردازش دیجیتال سنتی. در حالی که نویز در تراشه‌های کلاسیک یک مشکل است، CN101 و دیگر تراشه‌های ترمودینامیکی آن را به یک مزیت تبدیل می‌کنند. زاکاری بلا‌تِک، مدیر ارشد تیم مهندسی سیلیکون نورمال، در مصاحبه‌ای با IEEE Spectrum پیرامون ایده طراحی این پردازشگر گفته است:
ما روی الگوریتم‌هایی کار می‌کنیم که بتوانند از نویز، تصادفی‌بودن و غیرقطعی‌بودن بهره ببرند. دامنه این الگوریتم‌ها گسترده است و شامل رایانش علمی، هوش مصنوعی و جبر خطی می‌شود.
عملکرد CN101 بر اساس حالت نیمه‌تصادفی اجزای تراشه استوار است. در این تکنیک برنامه‌ای روی تراشه اجرا می‌شود و پس از رسیدن سامانه به تعادل (Equilibrium)، این تعادل به عنوان جواب محاسبات خوانده می‌شود. به همین دلیل، این تراشه برای وظایف غیرقطعی و نمونه‌گیری/بهینه‌سازی ایده‌آل است، اما مناسب استفاده در مرورگر یا نرم‌افزارهای قطعی نیست.
تصویر فوق نمای ساده‌شده‌ای از SPU که دو سلول خازنی را با یک مدار اتصال و ترانسفورمر نشان می‌دهد. این واحد به‌عنوان هم‌پردازنده به CPU متصل شده و از طریق FPGA داده‌ها و نویز لازم را ردوبدل می‌کند.
تمرکز کاری و قابلیت‌های پردازنده ترمودینامیکی
CN101 برای دو دسته از وظایف طراحی شده است:
- جبر خطی و عملیات ماتریسی، شامل حل دستگاه‌های خطی و ضرب ماتریس‌ها.
- نمونه‌برداری احتمالاتی با استفاده از سامانه اختصاصی نورمال مبتنی بر گام‌برداری تصادفی روی شبکه (LRW).
در همین زمینه شرکت نورمال کامپیوتینگ اعلام کرده که CN101 می‌تواند در این بارهای کاری تا ۱۰۰۰ برابر بهبود بهره‌وری انرژی بهتری نسبت به تراشه‌های سنتی بر پایه منطق دودویی ارائه دهد، که این موضوع اهمیت فوق‌العاده‌ای برای مراکز داده هوش مصنوعی دارد.
ریزمعماری پیشرفته Carnot
CN101 بر پایه معماری Carnot طراحی شده است که از تایل‌های محاسباتی متصل با شبکه روی تراشه (NoC) تشکیل شده‌اند. در این رویکرد، هر Tile شامل واحدهای حالت دیجیتال چندبیتی (s-unit)،واحدهای تابع غیرخطی قابل پیکربندی و ماتریس اندرکنش فشرده، و مقیاس‌پذیر برای به‌روزرسانی‌های ناهمگام است. این طراحی امکان شبیه‌سازی معادلات دیفرانسیل تصادفی (SDE) و دینامیک لنگوین (Langevin Dynamics) را برای مدل‌های انتشار و استنتاج بیزی فراهم می‌کند.
نمونه اولیه CN101 شامل چهار تایل با ۶۴ متغیر حالت در هر یک از آنهاست و به‌روزرسانی‌های موازی ناهمگام را آزمایش می‌کند. از نظر فنی هرچند این نسخه به عنوان تراشه آزمایشی طراحی و تولید شده، اما اثباتی قطعی بر مقیاس‌پذیری محاسبات ترمودینامیکی محسوب می‌شود.
چشم‌انداز Normal Computing برای مراکز داده
پس از توضیحاتی که پیرامون عملکرد این تراشه دادیم حالا این سوال مطرح می‌شود که شرکت نورمال چه کاربردهایی را برای تراشه تولیدی خود متصور است. در پاسخ به این سوال به صورت ساده، زکری بلا‌تِک می‌گوید:
دامنه الگوریتم‌هایی که می‌توانند از نویز و تصادفی‌بودن استفاده کنند گسترده است؛ از رایانش علمی تا هوش مصنوعی و جبر خطی.
اما از دید فنی دقیق‌تر، چشم‌انداز نورمال کامپیوتینگ ترکیب این تراشه با CPU، GPU و تراشه‌های احتمالاتی و کوانتومی در سرورهای هوش مصنوعی است تا هر مسئله به نزدیک‌ترین جواب ممکن برسد.
نقشه راه سری CN نیز شامل به‌روزرسانی‌های مهم در ۲۰۲۶ و ۲۰۲۸ است تا مقیاس مدل‌های انتشار تصویری و ویدیویی عمیق را پوشش دهد و گلوگاه‌های انتقال داده خارج تراشه را کاهش دهد.
اهمیت و جایگاه CN101 در صنعت
با افزایش نیاز مراکز داده به پردازش‌های پرانرژی و پیچیده، تراشه‌های نوظهوری مانند CN101 می‌توانند راهکارهایی با بهره‌وری انرژی فوق‌العاده ارائه کنند. این روند، همسو با توسعه فناوری‌های دیگر مانند فوتونیک سیلیکونی و رایانش غیرقطعی، می‌تواند CN101 و نسل بعدی تراشه‌های ترمودینامیکی را به بخش مهمی از موج بعدی نوآوری‌های سخت‌افزاری تبدیل کند.
برای آشنایی بیشتر با جزئیات فنی این تراشه می‌توانید به مقاله مرتبط منتشر شده توسط این تیم در نشریه Nature Communications مراجعه کنید.
source