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Un renacimiento de la computación estocástica simplificará el diseño de circuitos

De acuerdo a un trabajo encabezado por investigadores de Oculus Research, los Pulsos Aleatorios tienen la capacidad de mejorar los implantes retinales, las redes neuronales y los sistemas de visión artificial, entre otras tecnologías, por lo que es sugieren sacar a esta tecnología del baúl del olvido.

ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas

Investigadores de la compañía Oculus, responsable de una gama de gafas más importante para visión artificial y realidad virtual, presentaron un artículo técnico donde proponen el uso de la técnica basada en sistemas estocásticos para simplificar el diseño de circuitos electrónicos.

 

De acuerdo a un estudio difundido por la revista IEEE Spectrum, el pasado mes de marzo, los científicos Armin Alaghi, integrante de Oculus Research y catedrático de la Universidad de Washington; en colaboración con su colega John P. Hayes, profesor asociado al Departamento de Ingeniería de la Universidad de Michigan, determinaron liberar más resultados de su línea de trabajo orientado al diseño de circuitos más eficientes y con mayor desempeño.

Ambos especialistas se basan en el hecho de que las señales analógicas continúan teniendo un sitio importante en el gran mundo de las comunicaciones, incluso tomando en cuenta que también se acompañan de pequeños errores que al menos en el panorama biológico son tolerables, tal es el caso de notas musicales con algún grado de descomposición armónico, o un área brillante es ligeramente más clara que la realidad, pues aunque el cerebro humano identifica estas anomalías, que en técnicamente pueden ser definidas como “ruido”, resultan tolerables por ser pequeños.

La computación estocástica podría resurgir como uno de los recursos innovadores para diseñar circuitos electrónicos más potentes y eficientes, según académicos norteamericanos.

   

Pero este ruido sí puede impactar severamente el rendimiento de las arquitecturas electrónicas, específicamente aquellas utilizadas para el diseño de circuitos integrados, y a medida que diversos sectores de la industria tecnológica avanzan, incluyendo áreas como la medicina, aeroespacial o sistemas de visión artificial, por mencionar algunos, este ruido debe ser totalmente erradicado para evitar problemas en las señales de salida.

El trabajo de los doctores Armin Alaghi y John P. Hayes, abordan este problema y han propuesto la implementación de técnicas estocásticas para disminuir la incidencia de ruido sistemas electrónicos y al mismo tiempo incrementar considerablemente la eficiencia energética de los mismos circuitos.

“En muchos casos, no existe una necesidad fundamental de que los circuitos electrónicos conviertan primero las cantidades de señales analógicas en números binarios para posteriormente procesarlos de forma precisa y perfectamente repetible”, menciona el documento, y agrega: “¿Y si pudieras minimizar esas conversiones de analógico a digital?, ahorrarías una cantidad considerable de energía allí mismo. Si pudieras descubrir cómo procesar las señales analógicas de una manera conservadora de energía, estarías más adelante que otros. Esta característica sería especialmente importante para las situaciones en las que la potencia es escasa, como para los implantes biomédicos destinados a restaurar la audición o la vista”.

Pero debido al éxito que tienen las señales digitales en nuestros días y a las evidentes ventajas que tienen por sobre las señales analógicas principalmente en los sistemas electrónicos, los expertos señalan que el método llamado Computación Estocástica tiene la cualidad incluso de procesar “probabilidades” análogas a través de los circuitos digitales.

“Esta técnica olvidada podría mejorar significativamente los futuros implantes de retina y los circuitos de aprendizaje automático (…) para dar como ejemplo un par de aplicaciones que hemos investigado, y es por eso que creemos que la computación estocástica está lista para un renacimiento”, sostuvo el Dr. Armin Alaghi.

Cómo funciona la Computación Estocástica

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La técnica sugerida por los académicos funciona partiendo de una premisa catalogada como contraría a la intuición: la conversión de los números que necesita procesar en grandes flujos de dígitos binarios aleatorios donde la probabilidad de encontrar 1 en cualquier posición determinada es igual al valor que se está codificando.

Números binarios convencionales como el uso cotidiano de los decimales, es el eje de esta metodología en la cual el flujo de bits no utiliza toda la secuencia sino el valor arrojado donde aparece el 1, esto es similar a la técnica de subneteo o VLSM implementado en la asignación de redes. (Fuente: David Schneider y Mark Montgomery – IEEE Spectrum).

   

El documento refiere que aunque estas transmisiones largas son claramente digitales, imitan un aspecto crítico de los números analógicos: un error menor en algún punto del flujo de bits tampoco afecta significativamente el resultado de salida.

“Y lo mejor de todo, la realización de operaciones aritméticas básicas en estos flujos de bits, por grandes que sean, resulta simple y altamente eficiente en el consumo de energía. También vale la pena señala que el sistema nervioso humano transfiere información por medio de secuencias de impulsos neuronales que se parecen mucho a estos flujos bitráficos estocásticos”, puntualiza el documento.

Un ejemplo claro de su funcionamiento

Para comprender más claramente este método, los investigadores plantean un problema en el cual se involucra un módulo controlador de luz el cual posee dos controles por separado, cada uno con salidas que emiten valores digitales fraccionados entre 0 y 1.

Utilizando flujos de bits estocásticos, las multiplicaciones pueden realizarse con una sola compuerta AND. En la ilustración, dos flujos que representan ½ y ¾ como entradas. La salida entonces, son valores “1” en tres de las ocho posiciones, lo que significa que el valor 3/8 es el producto de estas dos entradas.

   

“Si un control está completamente encendido pero el otro está en, digamos 0.5, obtendrás un brillo de luz del 50%. Pero si ambos controles están configurados en 0.5, el resultado deseado será un 25% de brillo, y así sucesivamente. Es decir, si pretendes que la salida refleje el valor de las dos configuraciones de control multiplicadas juntas…”, comenta John P. Hayes.

Las señales neuronales se parecen a los flujos de bits porque los picos de frecuencia indican valores altos de actividad cerebral, del mismo modo que sucede con los valores “1” de los flujos de bits donde los elementos altos o encendidos representan un valor definido.

   

El asunto de esto es que para alcanzar este objetivo se puede recurrir a un microprocesador para que se encargue de las multiplicaciones. Y con esto emerge entonces la posibilidad de los llamados Pulsos Aleatorios. “¿Que pasaría entonces si, en lugar la salida de tus dos controladores se transformara electrónicamente en una serie aleatoria de valores 0 y1, donde la probabilidad de que salga un 1 en cualquier posición dada en el flujo de bits codifique el valor a mano? Por ejemplo, el número 0.5 podría ser representado por un flujo de bits en el cual un 1 aparece 50% de las veces, pero como puntos aleatorios, y en otra parte de la secuencia, habría bits con valor de 0.”

Los investigadores han justificado su técnica aplicando una estructura binaria debido a la facilidad que resulta realizar operaciones aritméticas básicas en tales flujos de bits, por lo que su estudio ahora mismo está siendo considerado por la comunidad internacional de desarrolladores con el fin de identificar el potencial que tendría su aplicación en el diseño masivo de circuitos electrónicos.

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