Computadores de recozimento prometem rivalizar com computadores quânticos

Fotos do protótipo de computador de recozimento.
[Imagem: Taichi Megumi et al. - 10.1109/ACCESS.2024.3360034]

Processador de recozimento

Aquele que foi o primeiro computador quântico a chegar ao mercado, da empresa canadense D-Wave, usa um processo muito especial, conhecido como recozimento quântico, no qual o processador realiza uma busca pela melhor solução possível para um problema, representada pelo estado de menor energia de seus qubits.

Mas também é possível criar processadores de recozimento, também conhecidos como "recozedores", que não são quânticos, usando eletrônica comum, que funciona a temperatura ambiente.

Do mesmo modo que suas versões quânticas, os recozedores clássicos são projetados para resolver problemas de otimização combinatória, onde a tarefa é encontrar a melhor solução a partir de um conjunto finito de possibilidades. Isto tem amplas implicações para aplicações práticas em logística, alocação de recursos e descoberta de medicamentos e materiais.

Contudo, para fabricar um processador de recozimento usando a tecnologia eletrônica tradicional, conhecida como CMOS, é necessário que os componentes dos processadores estejam totalmente "acoplados", ou seja, que todos falem com todos. Só assim será possível encontrar a melhor combinação para um grande número de variáveis, o que é impraticável fazer com algoritmos rodando em computadores comuns.

Porém, a complexidade desse acoplamento, com a fiação que ele exige, vinha sendo um tropeço nada trivial para a escalabilidade dos processadores, ou seja, para construir processadores capazes de resolver problemas com números significativos de variáveis.

Esquema e foto do protótipo em operação. Enquanto um processador quântico exige temperaturas criogênicas, o processador de recozimento dispensa até o ar-condicionado.
[Imagem: Taichi Megumi et al. - 10.1109/ACCESS.2024.3360034]

Híbrido eletrônico-spintrônico

Agora, Taichi Megumi e colegas da Universidade de Ciência de Tóquio, no Japão, descobriram uma solução para esse gargalo usando chips de alta integração (LSI: Large Scale Integration) - essa integração é um processo de fabricação de circuitos integrados que consegue combinar bilhões de transistores e outros componentes em um único chip.

A equipe criou um computador de recozimento escalável usando 36 chips LSI de cálculo, com tecnologia CMOS de 22 nanômetros, e um FPGA de controle, sigla para Matrizes de Portas Programáveis em Campo, que são circuitos integrados programáveis depois de estarem prontos. Esta tecnologia permitiu a construção de sistemas semicondutores totalmente acoplados em grande escala seguindo o modelo de Ising (um modelo matemático de sistemas magnéticos) com 4.096 spins.

O computador incorpora duas tecnologias distintas: Um método spintrônico, que permite 8 buscas paralelas de soluções, juntamente com uma técnica que reduz os requisitos de hardware em cerca de metade em comparação com os métodos convencionais.

O desempenho do protótipo não deixa margem a dúvidas.
[Imagem: Taichi Megumi et al. - 10.1109/ACCESS.2024.3360034]

Rival para os computadores quânticos

Em termos de relação de desempenho/consumo de energia, o processador de recozimento superou a simulação de um sistema Ising totalmente acoplado em um PC (i7, 3,6 GHz) em 2.306 vezes. Ele ainda ultrapassou o núcleo da CPU e o chip aritmético em 2.186 vezes.

O consumo de energia também é modesto. Operando a 10 MHz, o computador operou com um consumo de 2,9 W (1,3 W para a parte central) - esse consumo foi confirmado na prática solucionando um problema de cobertura de vértices usando todos os 4.096 nós do processador.

Mas a equipe quer muito mais. "No futuro, desenvolveremos esta tecnologia para um esforço conjunto de pesquisa visando um sistema LSI com o poder computacional de um computador quântico de nível 2050 para resolver problemas de otimização combinatória. O objetivo é conseguir isso sem a necessidade de ar condicionado, ou grandes equipamentos ou infraestrutura em nuvem, usando processos atuais de semicondutores. Especificamente, gostaríamos de atingir 2 milhões de spins até 2030 e explorar a criação de novas indústrias digitais usando isso," disse o professor Takayuki Kawahara, coordenador da equipe.

Bibliografia:
Artigo: Scalable Fully-Coupled Annealing Processing System Implementing 4096 Spins Using 22nm CMOS LSI
Autores: Taichi Megumi, Akari Endo, Takayuki Kawahara
Revista: IEEE Access
DOI: 10.1109/ACCESS.2024.3360034

Fonte: