26 марта 2020 года ДВФУ сообщил TAdviser, что ученые Школы естественных наук университета (ШЕН ДВФУ) вместе с коллегами из Китайской академии наук разработали крестообразную микроструктуру из платины, кобальта и оксида магния, которая может работать в режиме троичной логики («да» — «нет» — «не знаю»). На ее основе можно будет строить миниатюрные устройства электроники и спинтроники, квантовые процессоры, оперирующие кутритами (три состояния в отличие от кубитов) и нейроморфные системы, имитирующие функционал человеческого мозга.
Платформа для развития наноэлектроники и квантовых процессоров
Современные процессоры потребляют много энергии, физически отделены от ячеек памяти, а их эффективность ограничена двоичной логикой («1» — «0», «включен» — «выключен»). Это три главных причины, которые препятствуют дальнейшему развитию вычислительной техники по пути миниатюризации и быстродействия.
|
|
Благодаря определенной последовательности слоев и переключению спинов электронов в нижнем слое платины мы смогли эффективно управлять тремя магнитными состояниями в слое кобальта, которые соответствуют основным позициям троичной логики («– 1», «»1 и «0» или «да» — «нет» — «не знаю»). Троичная логика (логика Аристотеля) намного превосходит двоичную, булеву логику («0» — «1»). Принципы троичной логики могут лечь в основу «умных» вычислительных машин недалекого будущего. Эти устройства будут обладать более высокой скоростью работы, длительным сроком жизни и низким энергопотреблением по сравнению с устройствами, реализованными на других принципах,
рассказал Александр Самардак, руководитель проекта с российской стороны, доцент кафедры компьютерных систем Школы естественных наук ДВФУ |
|
Чтобы получить спиновый ток и воздействовать на слой кобальта ученые использовали два перекрестных тока, а также плоскостное магнитное поле, нарушающее магнитную симметрию. При этом по нижнему слою платины пропускали ток в виде коротких импульсов. В результате спины электронов с разной полярностью (ориентированные вверх и вниз, что соответствует позициям «1» и «0») отклонялись к противоположным поверхностям слоя платины, то есть в ней возникал чистый спиновый ток, который оказывал влияние на спины электронов магнитного слоя. При определенных условиях происходил переворот спинов в слое кобальта, то есть ячейка переключалась с «0» на «1», как в полупроводниковом транзисторе.
Управлять разными магнитными состояниями в слое кобальта, то есть реализовать разные состояния троичной логики, удалось за счет токовых импульсов, которые пропускали по двум другим ортогонально (перпендикулярно) расположенным контактам. Выяснилось, что такие ортогональные токи могут быть более низкими, а в предложенной слоистой структуре можно контролировать и другие промежуточные устойчивые магнитные состояния, что можно использовать для реализации нейроморфных устройств. Более того, появилась возможность реализации в одной микроструктуре набора логических операций - «И», «ИЛИ», «НЕ-И» и «НЕ-ИЛИ». Этого можно достичь, используя определенную последовательность перекрестных токов, а не набор полупроводниковых вентилей (транзисторов, сопротивлений, диодов), как это происходит сейчас. В перспективе это тоже будет работать на миниатюризацию устройств.
Александр Самардак объяснил, что в исследовании ученые обозначили лишь вершину айсберга, и на пути к реальным устройствам спинтроники и нейроморфным системам на основе троичной логики требуется приложить еще много усилий.
Во-первых, нужно избавиться от постоянного магнитного поля, которое применяется для нарушения магнитной симметрии. Во-вторых, нужно уменьшить размер ячейки до 100-200 нм, чтобы реализовать высокую плотность упаковки элементов на микросхеме. В-третьих, нужно решить задачу по точному считыванию состояния магнитного слоя, для чего нужны высокочувствительные сенсоры, работающие на основе эффекта туннельного магнитосопротивления.
При этом ученый отметил любопытный факт, что первая ЭВМ на троичной логике была разработана в СССР еще в начале 60-х годов XX века. Проект назывался «Сетунь» и был реализован научной группой под руководством профессора Н. П. Брусенцова (МГУ имени М. В. Ломоносова). Однако ЭВМ «Сетунь» не получила широкого признания, несмотря на ряд преимуществ перед машинами, которые работали на основе двоичной логики (булева логика).
Комментарии
На АШе про водяные вычислители и узнал.
Нифига не понятно, зачем нужно сначала сделать железо. Смоделировать можно и на современных компах. На модели показать преимущество, и уже тогда
возиться с железом.мять силиконовые сиськи.Там нечего показывать, банальная арифметика.
Я моделировал. Как таким образом показать преимущество - не понятно, т.к. все равно скорость счета упирается в двоичность современного компьютера. Нужно именно железо.
Модельное время отличается от реального, модельная секунда может хоть сутки на модели считаться, но если доказать (это, кстати, шаг два после создания модели) что эти реальные сутки в реальном будущем железе будут считаться секунду - то вот и выигрыш.
Что именно вы собираетесь проверять на модели?
Что для умножения двух троичных чисел требуется меньше операций, чем для умножения двоичных? Чтобы это доказать, нужна авторучка и столовская салфетка.
Что троичная информация компактнее двоичной? Это можно объяснить на пальцах.
Тут нужен именно эксперимент с железом. А не теоретизировать, понимаешь. :):):)
Вообще-то моделируется именно железо. Процессор, ткскзть.
Ну это да.
А вот тут вы упретесь в то что промоделировать и рассчитать переходные процессы не всегда возможно или приемлемо по стоимости - дешевле построить набор прототипов прогнать их в разных режимах и вот уже данные по результатам прогона использовать для расширения моделей......
А у Вас операции определены на множестве из трёх ортогональных элементов? И полный базис операций имеется?
Да.
Не очень понимаю, зачем тут ортогональность элементов. Поясните?
Ни один из элементов не является линейной комбинацией других. Это основа любой алгебры. И геометрии в том числе. Например, любой орт координатной системы не может быть линейной комбинацией любого числа других. Его можно получить векторным умножением, но на плоскости оно не определено. Равно и мнимую единицу трудно получить арифметическими действиями.
Я, например, плохо себе представляю аналог логического отрицания в дуалистической парадигме: выражение - результат. Тут как бы логика вписана в парадигму. Так в пространство с плоскости не выйти.
Не понимаю, зачем такие абстракции. По-моему, речь должна идти о свойствах выполнения арифметических операций в той или иной системе счисления. Причем этих систем придумано много, тех же троичных несколько и свойства у них разные: разная избыточность, разная скорость выполнения операций. Тут чистая арифметика.
Вы хотите создать новую расширенную логику. На сколько я понимаю, в предельном случае переходящую в нашу обычную. В нашей как бы все эти вещи выполняются, логично заключить, что выполняются и в расширенной. Например, сколько не мучайте ноль или единицу операциями "И" или "ИЛИ", остальной элемент у вас не выйдет. Ибо они линейны. Аналогичное должно бы выполняться в более размерном логическом пространстве. И это никак иначе,чем абстракцией этого не достигнуть.
Арифметические операции операции в машине моделированы логическими операциями над двоичными представлениями чисел. Тогда, представляя число на расширенном логическом базисе нехудо было бы определить логические операции на нём.
Придумано много вариантов пятой ноги для коня. Никакой новой логики в них нет, всё сводится к тривиальной двоичной. Двоичная надстройка над двоичной. Для этого никаких железяк проектировать не нужно, всё легко моделируется и в обычной машине.
Ну а если уж проектировать устройство, так сообразная логика должна бы быть "вмонтирована" в него природой. Мне, например, не известны процессы, выпадающие из дуальной симметрии, за исключением, возможно, кварк-кваркового взаимодействия. Но там, вроде, проблемы с описанием взаимодействия.
Теперь понял, о чем вы.
Если у вас найдется время, посмотрите здесь. Тут как раз описаны операции над числом в троичном представлении Стахова.
Конечно, можно сказать, что их тоже можно свести к двоичным. Но вот давайте начнем с такой штуки, как минус. В обычном случае он кодируется 1 битом. В моем случае каждый разряд имеет знак. Тут совсем другая логика побитовых операций.
Любая надстройка кушает ресурс.
P.S. Можете поиграться с программкой перевода в/из системы Стахова, забавная вещь.
Работа г. Стахова, конечно, интересна. Но он скромно умалчивает о том, что одновременно с представлением иррациональных чисел конечным числом бит, кое-какие рациональные представляются приближённо. Это только метод представления, никто Вам не мешает сделать свой по основанию 17. Но принципиальных преимуществ это не даст.
Никакой другой логики нет, третий элемент есть линейная комбинация остальных. Никаких новых операций нет, а вот операция "НЕ" не определена для третьего элемента. Таким образом, мы, используя традиционную логику, проводим дополнительные действия для обеспечения избыточности. Соглашусь, что в некоторых приложениях это может обеспечить лучшее быстродействие. Но это остаётся лишь "шифрованием".
Нет, в определённых задачах просчитать надстройку дешевле, чем просчитать без неё, формально в лоб. Тем не менее, в рамках модели вполне возможно просчитать задержки на каждую операцию, оценив таким образом эффективность алгоритма.
Но, вопрос-таки остаётся открытым. В рамках данной статьи реализовано устройство для проведения обычных логических операций. Физическая модель не имеет трёх объектов, не получаемых друг из друга.
Таких физических моделей, пародирующих обыкновенную логику, я, например, могу придумать миллиард. И поворот спина - далеко не лучший вариант для большего быстродействия в силу инертности электрона. Нетрудно догадаться, что наилучшим объектом является фотон. Уверен, что проектов таких машин имеется изрядно.
P.S. Спасибо за программку.
Система Стахова предназначена для точного представления целых чисел. Чтобы записать рациональное, надо, как и в обычном случае, добавить мантиссу (этот вопрос в статьях не рассматривается).
Что вы понимаете под "другой" логикой? Процесс прибавления единицы - не такой, как в двоичном случае, хотя бы потому, что здесь в каждой ячейке возможно 3 значения:
Преимущество на первый взгляд не видно. Тем более, что система избыточна => для записи числа нужно много разрядов.
Преимущество появляется при проведении арифметических операций с большими числами (или с дробными числами с большим количеством знаков после запятой). Потому что в ряде случаев умножение сводится к быстрому сложению, а возведение в степень - к быстрому умножению. См. об этом здесь.
Это что касается математического преимущества. А еще может появиться преимущество при чтении / записи из-за того, что в одну ячейку можно будет писать 3 состояния, над чем и трудятся разработчики.
Троичная симметричная система - это +1, 0 и -1. Разве это не природно? Вы или добавляете, или отнимаете, или ничего не делаете.
В качестве преимущества автор указывает, что его исчисление точно представляет иррациональное число Фиббоначи, оно, очевидно, нецелое. Но это как бы несущественно. Я лишь обратил внимание, на удобство системы для совершенно определённых целей.
Под троичной логикой, на мой взгляд, было бы естественным понимать логику, являющуюся расширением двоичной, опирающуюся на базис из трёх элементов. Для этого пространства должно быть определено некоторое количество операций, в пределе переходящих в привычные двоичные. То, что рассматриваете Вы, есть только "нулевое" приближение, ибо третий элемент не является независимым. Его можно получить манипуляциями над остальными.
Будь хоть десять значений ячейки, сути операций над ними это не изменяет, а именно, старые добрые "ИЛИ" и "И". Тогда как в "настоящей" троичной логике операций (я бы ожидал) несколько больше.
Нет. Ноль - суперпозиция -1 и 1. Физически состояния только два. Например, 0, 1 и красный - три. Но возникает проблемка с действиями над ними.
Спасибо. Предлагаю считать, что беседа получилась полезная. Я заканчивал МИЭМ/ФПМ, а вы?
А я - гораздо скромнее - ПГПУ. Это не основное направление моих интересов, но по мере возможностей за темой пытаюсь следить.
С логикой на расширенном базисе давненько пытаюсь (периодически) разобраться, но, увы, не тяну. Есть подозрения, что тут имеются трудности принципиального характера: отсутствие опыта взаимодействия с подобными объектами. Мы, увы, намертво привязаны к дуальной симметрии, а экспериментальное исследование объектов, подозрительных на наличие данных свойств, затея крайне дорогостоящая. К сожалению, на кончике пера такое может получить лицо, напрочь отвязанное от повседневной реальности.
Тем не менее, развитие подобных тем может дать нам неплохой шанс для перехода к новому технологическому укладу, поэтому периодически возвращаюсь к задаче, пытаясь посмотреть на свежую голову с другой стороны.
Если Вам интересно, можно было бы продолжить обсуждение в более подходящем формате, ибо целенаправленно заняться исследованиями я едва ли когда-то соберусь, но и оставлять идеи и наработки не хотелось бы - возможно, они уже известны и используются, а, может быть, и пригодятся для дела.
Спасибо и Вам. Редко получается конструктивно пообщаться, так что данное обсуждение приятно вдвойне.
Я не против пообщаться, адрес сейчас скину в личку.
Только сразу признаюсь, что есть проблема: я с годами стал очень консервативным в плане новых направлений деятельности. Есть несколько (научно-исследовательских) тем, к которым я пришел и мечтаю хотя бы их успеть довести до какого-то результата. Но кто знает, может быть какие-то точки пересечения и найдутся. Ну и на ненаучные темы можно поразговаривать.
А вы сейчас не в Перми живете?
Чтобы приблизить троичность к человеческому мозгу, нужно добавить четвёртую константу - "не уверен". А затем, наверно, и пятую - "уверен, но не всегда". Затем придётся добавлять шестую - "хрен его знает", затем седьмую - "ТБМ"...
Затем придётся разделить ветви развития компьютеров на два. С мужской логикой уже есть, придётся изобретать с женской. Оба же человеки, в конце концов.
Можно представить n-логичность (надеюсь, всем понятно, что для женской логики ТРЁХ маловато будет?) примерно так: на константу X(да) будет приходиться от 30% до 80% взаимозаменяемых констант Y(нет), а константа Z(не знаю) - будет свободно плавающим фактором, уничтожающим то X, то Y попеременно, в зависимости от того, как погода с утра.
Вот как-то так. Это была шутка.
Я ни разу не программист, не математик, не физики и не химик, и уж тем более не теоретик процессов, происходящих в "мозгу" компьютера.
Да нет наверное ))
Да ну нахрен, хотя...
Ну да, конечно.
Это про нечеткую логику, что ли? Тут совсем о другом.
Я как бы в курсе. Но развиваю мысль, высказанную предыдущим автором.
Перспективный чат детектед! Сим повелеваю - внести запись в реестр самых обсуждаемых за последние 4 часа.
Это похоже на тропинку к прорыву!
По факту и сейчас логика троична и в некотором роде есть состоние не знаю,но этот дапазон относят или к 1 или к 0.
И троичная логика это сдвиг рамок,но не решение проблемы (может часть решения,начало старт).Дальше что 4,5?Кто больше?Вначале герцы,потом ядра,дальше процессоры,а потом что?Нашли снова чем мерится ?Да и в обозримом будущем походу нишевой продукт,вроде суперкомпьютеров.Быстро всю технику не поменяешь,да и учитывая материалы-дорогое удовольствие.КРоме железа,понадобится ось,софт,языки программирования и многое другое.Вспоминаем сколько времени шёл переход на многоядерность,впрочем он до сих пор идёт.И как до сих пор пишутся программы и то что придётся менять всю логику,счас заточенную на итерации и тд.В том числе придётся менять и добавлять математику-кроме булевой ещё и это,элементную базу,и многое другое.Дорогое удовльствие с перспективой,которое будет вводится по частям ,может быть.Скорее всего это прокладка ,технология пейджер,на короткое время которую потом поглотит другая и эта станет не нужна.(Были пейджеры короткое время ,но их быстро заменили мобильники и они как таковые умерли)
Чисто математически оптимальное основание системы счисления - число е (2,71...), Правда, простым человекам, не математикам, будет трудно привыкнуть)))
В любом случае, три ближе к нему, чем два.
Не, 2,618. Квадрат золотой пропорции.
См. по ссылкам, которые я тут давал в комментариях.
На самом деле, троичные компы не новы. В СССР были. "Сетунь", если память не изменяет.
У двоичной системы есть ряд недостатков по сравнению с троичной. Например, сейчас числа со знаком представляются в двоичной системе в дополлнительном коде. Например один октет (8 бит) может быть интерпретирован как число от -128 до +127. Заметили, что диапазоны несеммитричны? Есть и другие представления. Но там есть проблема отрицательного нуля, например.
В троичном представлении каждый трит (по аналогии с битом) имеет 3 значения: -1, 0, +1. Всё абсолютно симметрично и такие проблемы "как представлять отрицательное число" - просто не возникает.
Кроме того, именно "да, нет, не определено" часто гораздо более удобно для представления лог. значений, чтобы отделить известное от неопределённого.
В общем - тема обширная. И вообще - двоичность, она только тем хороша, что её проще всего на имеющейся элементной базе сделать.
Хорошо бы на простейших примерах пояснить, чем вычисления на троичном компьютере отличаются от вычислений на двоичном компьютере. Есть ли класс задач, где троичный компьютер справится успешнее, чем двоичный? Есть ли задачи, где двоичный вообще не справится, а троичный -решит?
Полно. RGB цвета, координатные обсчеты, трёхмерные модели...
Это те задачи, с которыми, видимо, справляется двоичный компьютер. Или не справляется или справляется, но очень долго?
И всё же: пример простейшей задачи, с которой не справится двоичный?
Вот для квантовых компьютеров такие задачи вроде бы есть. А для троичных?
Все эти достоинства троичных ЭВМ убиваются одной простой проблемой - хранение и целостность данных.
И с этим у троичных ЭВМ огромные проблемы. А если хранить данные двоично, то накой заниматься преобразованием для расчётов?
Скорее - скоростями записи и считывания. Если бы этих проблем не было, давно бы уже сделали.
И это тоже.
И тем не менее совершенно непонятно, как на нынешней элементной базе построить надёжную троичную хранилку данных.
Я возможно, ошибаюсь, но разве современная флеш память в ssd дисках не хранит данные уже в таком виде? Все эти MLC, TLC?
Хранит. Но, я так понимаю, сделать такие скорости чтения и записи, чтобы в этом был смысл.
Кроме того, что толку, что у TLC три уровня? Все равно используется двоичная система. Ну да, компактность разве что.
Как бы похоже, но нет. Единица данных всё равно 0 или 1, а не -1, 0, 1 или 0, 1, 2.
Ну - как раз в данном случае годится эмуляция. Для хранения трибита использовать два бита обычных.
Собственно, это интересно для всякой разной сверхоперативной памяти , типа кэша. Если бы речь пошла о массовом внедрении, то было бы проще организовать всякие разные контроллеры, чтобы для всех остальных устройств вычислитель с трисоставной логикой выглядел, как обычный процессор. Хотя софт перепиливать всё равно придётся - всякие побитные операции и т.п.
Надо считать накладные расходы. Имхо, эмуляция "2 в 3" при чтении и "3 в 2" при записи сожрёт весь выигрыш. Ну и надёжность опять же, контрольные суммы всякие, raidы разного вида...
Не, пока нет единицы хранения трех битов, не имеет смысла, имхо.
Так там не эмуляция, а преобразование. Однозначное в однозначное.
На самом деле нужна четырех-ичная логика.
1-Да, 2-Нет, 3-Не знаю, 4-Нет решения - ошибка, бесконечность (например, после деления на ноль)
Это та же троичная но с возможностью ловить ошибки.
В вычислениях на нечеткой логике (а может и квантовых) это может быть нужно, например, некий алгоритм с нечеткой логикой или вероятностный может всегда давать решение любой сложной задачи, но будет неизвестно - истинно это решение или ложно - только непосредственной проверкой, а это только в конце всех вычислений.
Если же ошибочные ветви графа будут отсеиваться в любой точке алгоритма, то это приведет к переводу экспоненциальной сложности к полиномиальной.
тоже склоняюсь именно к 4хзначной симметричной логике, более адекватной для логических построений: Верно-Неверно-Неизвестно-Неважно
Более того, именно на 4х значку перейти проще с бинарки, и даже это в свое время в СССР прорабатывалось, но с перестройкой забили.
ЗЫ. Троичных логик тоже больше одной - Сетунь - симметричная (-1,0,1), за бугром народ баловался несиметричными решениями (0,1,2).
Не-не-не! "Верно-Неверно-Неизвестно-ПНХ".
А как "неважно" себя ведет при мат. операциях?
Ошибка - как бесконечность - любая операция с ошибкой дает ошибку, если неважно точно также - то это одно и то же.
К стати эта логика очень даже применяется … в самом технологическом на данный момент секторе экономики - в электронике - в производстве процессоров и вообще для поиска ошибок в микросхемах.
Только оно слегка засекречено - литературы на эту тему очень трудно найти.
Используется оно в "Теории надежности", называется D-куб.
D-куб
Думаю, что поиск неисправности в огромной микросхеме - это чуть ли не np-сложная задача, однако , при помощи этого 4-ричного исчисления производители электроники ее как-то решают.
(я ,если честно, не доконца разобрался в этой логике, но мне кажется ее можно использовать для чего-то большего чем поиск ошибок)
Не совсем понял про логическое значение в мат операциях. Если брать за основу прямое симметричное отображение, то получаем: -1 (неверно), -0 (неважно), 0 (неизвестно), 1 (верно).
Для рассширенного отображения -1 (неизвестно), -0 (неважно), 0 (неверно). 1(верно). А дальше уже надо смотреть, что проще. Последний вариант легко ложится на расширение двоичных решений.
А так, даже опыт применения "Сетуней" показал не рост мат. производительности, а именно упрощение в алгоритмах решений управляющих/логических задачах.
Страницы