Tweet

0

Sneller rekenen door fouten te maken

De toekomst van probabilistische chips

Uitrekenen hoeveel je moet betalen in een café gaat veel sneller als je niet tot op de cent nauwkeurig rekent. Dat je er een halve euro boven zit, maakt toch niet zoveel uit. Door hier en daar afrondingsfouten te maken, zullen ook computers binnenkort sneller kunnen rekenen.

De boekhouding van een bedrijf moet tot op de cent juist zijn. Ook bij de encryptie van een e-mail mag er geen letter verkeerd staan. Als je bovendien 2+2 uitrekent, wil je dat de uitkomst 4 is en niet 4,02.

Maar voor heel wat niet-kritieke toepassingen is een benaderende berekening even goed. Gaat zo’n benaderende berekening sneller dan een exacte berekening en verbruikt die ook nog eens minder energie, dan kan dat heel interessant zijn voor bijvoorbeeld mobiele apparaten zoals smartphones.

Ruis
Om dat te begrijpen, moeten we even in de fysica van computers duiken. De transistors in de huidige microprocessors zijn gebaseerd op CMOS’en (Complementary Metal Oxide Semiconductors), een combinatie van een metalen elektrode met een oxide niet-geleider en een halfgeleider.

Naarmate chips kleiner worden door het verkleinen van de transistors, verstoren willekeurige variaties in de elektronenstroom het signaal van de transistors steeds meer, zodat er grotere fouten in de berekeningen ontstaan. Deze 'ruis' kun je tegengaan door de spanning op te voeren, maar daardoor verbruikt de chip ook meer. Het verbruik is immers gelijk aan het product van tijd, spanning en stroom.

Door steeds snellere en krachtigere processors te willen maken, moeten chipproducenten steeds meer transistors op een kleinere oppervlakte proppen. Daardoor stijgt de ruis, en om dat te compenseren ook het energieverbruik. CMOS-chips zijn dus echte energieslokoppen. Deze evolutie kan niet eeuwig blijven doorgaan en zal binnen niet al te lange tijd op fysische grenzen stuiten. Als de klassieke chips blijven evolueren zoals nu, kunnen we door de hoge ruis al in 2016 significante fouten verwachten.

Tolereer de ruis
De oplossing voor dit probleem is eenvoudig: stop met de ruis volledig te compenseren en probeer tot een compromis tussen ruis en correctheid te komen. Dat is wat professor Krishna Palem van Rice University op een dag deed: hij vroeg zich af wat het effect op de snelheid en het verbruik zou zijn als hij de storing van de signalen binnen zekere grenzen accepteerde.

Hij ontwikkelde een nieuw soort chip, die hij PCMOS noemt: Probabilistic CMOS. Zijn team stelde een wiskundig model op dat verbanden legt tussen de waarschijnlijke correctheid van een berekening, het energieverbruik en de schakelsnelheid.

Uit dit model bleek dat men slechts een klein beetje correctheid moest opgeven om een veel lager energieverbruik te krijgen. Het verschil in energie x snelheid kan in hun model gemakkelijk in de grootteorde van 200 tot 500 liggen. Een PCMOS-chip kan zo bijvoorbeeld zeven keer sneller en dertig keer energiezuiniger zijn dan een CMOS-chip met dezelfde functie.

Palems team bouwde op basis van het wiskundig model ook een concreet prototype van de chip, dat bleek te werken volgens zijn voorspellingen.