Votre ordinateur effectue bien la plupart des tâches. Pour le traitement de texte, certains calculs, arts graphiques et navigation sur le Web, la boîte numérique sur votre bureau est le meilleur outil pour le travail. Mais la façon dont votre ordinateur fonctionne, avec son style mathématique qui s'appuie sur le système de code binaire de "on" et "off" des 1 et des 0, n'est pas idéal pour résoudre tous les problèmes.

C'est pourquoi des chercheurs tels que Zoltán Toroczkai, professeur au Département de physique et professeur concomitant au Département d'informatique et d'ingénierie de l'Université de Notre Dame, sont intéressés à relancer l'informatique analogique à un moment où l'informatique numérique a atteint son potentiel maximum.

Toroczkai et ses collaborateurs ont travaillé au développement d'une nouvelle approche mathématique qui aidera à faire avancer le calcul au-delà du cadre numérique. Son article le plus récent, Publié dans Communication Nature , décrit une nouvelle mathématique, "solveur" analogique qui peut potentiellement trouver la meilleure solution aux problèmes NP-difficiles.

La NP-dureté est une théorie de la complexité computationnelle, avec des problèmes connus pour leur difficulté. Lorsque le nombre de variables est grand, problèmes liés à la planification, repliement des protéines, bioinformatique, l'imagerie médicale et de nombreux autres domaines sont pratiquement insolubles avec les méthodes connues. Après avoir testé leur nouvelle méthode sur une variété de problèmes NP-difficiles, les chercheurs ont conclu que leur solveur a le potentiel d'améliorer, et peut-être plus vite, solutions qui peuvent être calculées numériquement.

Des ordinateurs analogiques ont été utilisés pour prédire les marées du début au milieu du 20e siècle, guider les armes sur les cuirassés et lancer les premières fusées de la NASA dans l'espace. Ils ont d'abord utilisé des engrenages et des tubes à vide, et ensuite, transistor, qui pourrait être configuré pour résoudre des problèmes avec une gamme de variables. Ils exécutent directement des fonctions mathématiques. Par exemple, ajouter 5 et 9, les ordinateurs analogiques ajoutent des tensions qui correspondent à ces nombres, puis obtenez instantanément la bonne réponse. Cependant, les ordinateurs analogiques étaient encombrants et sujets au "bruit" - des perturbations dans les signaux - et étaient difficiles à reconfigurer pour résoudre différents problèmes, alors ils sont tombés en disgrâce.

Les ordinateurs numériques sont apparus après que les transistors et les circuits intégrés aient été produits en série de manière fiable, et pour de nombreuses tâches, ils sont précis et suffisamment flexibles. Algorithmes informatiques, sous forme de logiciel, sont des ensembles d'instructions qui indiquent au matériel informatique comment effectuer. Étant donné que le processus est limité à l'utilisation de 0 et de 1, cela simplifie également leur programmation, et a permis à l'informatique numérique de dominer pendant près de 70 ans.

Cependant, leurs restrictions peuvent empêcher les ordinateurs numériques de résoudre des problèmes NP-difficiles avec de nombreuses variables. L'un de ces problèmes est le problème du "Traveling Salesman", dans lequel un vendeur doit commencer dans une ville et revenir dans cette ville à la fin d'un voyage, mais entre les deux, doivent se rendre dans toutes les différentes villes d'une liste. Quel est l'itinéraire le plus efficace parmi tous les points ? Le problème devient exponentiellement plus difficile avec l'ajout de plus de villes. La difficulté avec de tels problèmes d'optimisation, Toroczkai a noté, est "alors que vous pouvez toujours trouver une réponse, vous ne pouvez pas déterminer si c'est optimal. Déterminer qu'il n'y a pas de meilleure solution est tout aussi difficile que le problème lui-même."

Un défi pour l'informatique analogique réside dans la conception d'algorithmes continus. Contrairement à l'informatique numérique, qui a une longue histoire dans le développement d'algorithmes, les algorithmes pour ordinateurs analogiques manquent d'une base de connaissances similaire et sont donc très difficiles à concevoir. L'approche de Toroczkai est différente des types d'algorithmes pour ordinateurs numériques, sous tous les aspects.

L'étape suivante consiste à concevoir et construire des dispositifs basés sur cette approche, un processus qui sera abordé au sein du Collège d'ingénierie de Notre Dame. Les ordinateurs analogiques seraient construits pour des tâches spécifiques, et non pour les besoins informatiques quotidiens. Ce travail s'inscrit dans un projet à plus grande échelle, effort multi-institutionnel, appelé Extremely Energy Efficient Collective Electronics (EXCEL), dirigé par Suman Datta de Notre-Dame, Chaire d'ingénierie Freimann et professeur de génie électrique, en collaboration avec Sharon Hu, professeur d'informatique et d'ingénierie.

"Il y a surtout des problèmes d'ingénierie qui doivent être résolus à ce stade, telles que les capacités parasites et un meilleur contrôle du bruit, mais ça va y arriver, " dit Toroczkai. " Idéalement, j'aimerais que vous ayez cette boîte sur votre bureau qui est votre agenda. Et il fera bien mieux qu'un ordinateur ordinaire."