Memkomputer czyli milion razy szybciej. Nowa alternatywa dla klasycznych komputerów

Tradycyjna i powszechnie wykorzystywana architektura von Neumanna zakłada zastosowanie jednostki sterującej oraz arytmetyczno-logicznej, które przesyłają dane pomiędzy sobą i pamięcią. Model jest jak najbardziej logiczny i poprawny, jednak występują w nim pewne wady, które w sposób znaczący ograniczają wydajność dzisiejszych komputerów. Aktualnie dostępne na rynku procesory są na tyle szybkie, że nawet pamięć podręczna ma problemy, aby za nimi nadążyć. W ostatnich dekadach podjęto wiele prób wyeliminowania tego wąskiego gardła.

W celu przyspieszenia przesyłu danych wymyślono przeróżne rozwiązania, np. mechanizm bezpośredniego dostępu do danych zawartych w pamięci RAM dla urządzeń wejściowych (DMA), eksperymentowano także z liczbą, rozmiarem oraz połączeniem w obrębie poziomów pamięci podręcznej procesora, wykorzystano nawet niskopoziomowe i skomplikowane algorytmy wyboru bloku do wymiany (LRU, FIFO, Losowy), jednak ostateczny wynik wciąż pozostawia wiele do życzenia. Podstawą problemu jest przestarzałość architektury von Neumanna, której głównym założeniem była szybka pamięć.

Massimiliano Di Ventra wraz ze swoimi współpracownikami stworzył memkomputer, tj. maszynę, która ma być rozwiązaniem opisanych powyżej problemów. Całość opiera się na zastosowaniu tranzystorów, jako bramek logicznych do przetwarzania danych, natomiast wykorzystanie zjawiska oporu elektrycznego pozwala na zapis wyników zadanych operacji, które pozostają nienaruszone nawet po odłączeniu zasilania. Opisane rozwiązanie ma jeszcze jeden pozytywny aspekt, mianowicie umożliwia reprezentację wielu stanów jednocześnie, co w przypadku architektury von Neumanna jest niemożliwe.

Stworzony przez naukowców prototyp udowodnił swoją wydajność poprzez rozwiązanie problemu sumy podzbioru zaledwie w jednej iteracji. Zagadnienie to wiąże się ze sprawdzeniem, czy w danym zbiorze istnieje dowolny i niepusty podzbiór liczb, które po zsumowaniu dają zero. Należy nadmienić, że opisany problem jest zaliczany do klasy problemów NP-zupełnych – najtrudniejsze problemy klasy NP rozwiązywalne za pomocą wielomianowych algorytmów niedeterministycznych. Według definicji każdy problem NP-zupełny można zredukować w czasie wielomianowym do problemu NP, a to z kolei pozwala na rozwiązanie każdego problemu należącego do klasy NP również w czasie wielomianowym. Kolejną wręcz niewiarygodną informacją jest liniowy wzrost liczby wykorzystanych memprocesorów w stosunku do zwiększania rozmiaru zadanego zbioru. W celu pokazania różnicy w wydajności wystarczy nadmienić, że problem na który obecne komputery, działające w zgodzie z architekturą von Neumanna, potrzebują 10 bilionów iteracji, prototyp memkomputera rozwiązuje w zaledwie 10 milionów iteracji.

Architektura popularnych aktualnie komputerów przypomina połatane stare spodnie, które dalej znajdują zastosowanie i czuje się do nich sentyment, ale i tak przydałyby się nowe. Zespoły naukowców i inżynierów z całego świata prowadzą doświadczenia nad różnego typu architekturami, które mają stanowić podstawę przyszłych maszyn. Kilka kolejnych dekad będzie prawdopodobnie należeć do komputerów nieograniczonych wyłącznie dwoma stanami.