(Phys.org)—Les chercheurs ont conçu et mis en œuvre un algorithme qui résout les problèmes informatiques en utilisant une stratégie inspirée de la façon dont une amibe se ramifie pour obtenir des ressources. Le nouvel algorithme, appelé AmoebaSAT, peut résoudre le problème de satisfiabilité (SAT) - un problème d'optimisation difficile avec de nombreuses applications pratiques - en utilisant des ordres de grandeur moins d'étapes que le nombre d'étapes requis par l'un des algorithmes conventionnels les plus rapides.

Les chercheurs prédisent que le système informatique inspiré des amibes peut offrir plusieurs avantages, comme une haute efficacité, miniaturisation, et faible consommation d'énergie, cela pourrait conduire à un nouveau paradigme informatique pour la résolution de problèmes à grande vitesse à l'échelle nanométrique.

Dirigé par Masashi Aono, Chercheur principal associé au Earth-Life Science Institute, Institut de technologie de Tokyo, et chez PRESTO, Agence japonaise des sciences et de la technologie, les chercheurs ont publié un article sur le système inspiré des amibes dans un récent numéro de Nanotechnologie .

"Nous avons démontré un moyen d'exploiter l'énorme puissance de calcul des phénomènes naturels en termes de complexité et d'énergie, " Aono a dit Phys.org .

La motivation de cette recherche vient en grande partie de la tendance actuelle à la miniaturisation électronique. Comme l'expliquent les scientifiques, les transistors sont devenus si petits qu'ils approchent de l'échelle à laquelle les fluctuations thermiques peuvent perturber leur fonctionnement. Ces fluctuations doivent être traitées, mais plutôt que d'essayer de minimiser leur impact, des recherches récentes ont suggéré qu'une meilleure alternative pourrait être de coexister avec eux. De nombreux systèmes biologiques, tels que les moteurs moléculaires impliqués dans la contraction musculaire, le font avec succès depuis des millions d'années.

Dans leur étude, les chercheurs ont conçu un système informatique à l'échelle nanométrique composé d'un cliquet électrique brownien, qui utilise le même mécanisme de base qu'un moteur moléculaire biologique, générer du courant à partir d'électrons fluctuants. Dans un cliquet électrique brownien, l'énergie thermique dans un nanofil fait que les électrons se déplacent de manière aléatoire dans une direction (par exemple, à gauche mais pas à droite) ou rester au même endroit. La répétition de ce processus plusieurs fois génère un flux d'électrons dirigé, résultant en un courant électrique avec des fluctuations stochastiques (aléatoires). Comme des recherches antérieures l'ont montré, tant qu'aucune énergie n'est transférée à l'extérieur du système, le processus ne viole pas la deuxième loi de la thermodynamique.

Pour mettre en œuvre leur système informatique inspiré des amibes, les chercheurs ont conçu un réseau de cliquets browniens électriques avec de nombreuses "branches" ou fils. Les branches correspondent aux pseudopodes d'une amibe, qui peut s'étendre sur de grandes surfaces pour maximiser l'absorption des nutriments. D'une manière similaire, les branches du réseau à cliquet peuvent fournir du courant (qui représente la valeur binaire "1") ou pas de courant (représentant "0") de manière stochastique. Globalement, les deux systèmes utilisent un mouvement aléatoire, couplé avec un contrôle de rétroaction dynamique, pour effectuer des tâches informatiques.

Pour évaluer la capacité de calcul du système AmoebaSAT, les chercheurs l'ont appliqué pour résoudre un problème d'optimisation combinatoire difficile appelé le problème SAT, qui consiste essentiellement à déterminer si une formule donnée composée de nombreuses variables et contraintes logiques est « satisfaisable ». Le problème SAT et ses problèmes dérivés ont un large éventail d'applications dans des domaines tels que la robotique, la modélisation, commerce électronique, et d'autres.

"Pour rechercher une solution au problème SAT, chaque unité du système doit se comporter de manière stochastique et faire une « erreur » pour explorer un espace d'état plus large; l'erreur indique que la ressource n'est pas alimentée même lorsque le signal de contrôle inhibiteur n'est pas appliqué, " Aono a expliqué. " À cet égard, le cliquet électrique brownien est l'un des meilleurs dispositifs pour résoudre les problèmes car il met en œuvre des opérations stochastiques avec des erreurs, comme exposé à un bruit thermique aléatoire. Par ailleurs, ce dispositif est avantageux car il consomme peu d'énergie, qui sont comparables à l'énergie thermique ; il facilite l'intégration à grande échelle pour résoudre de gros problèmes."

Les tests ont montré que le système AmoebaSAT avait un taux de réussite de 100% pour trouver une solution à divers problèmes SAT à 50 variables, résoudre ces problèmes avec une moyenne d'environ 3, 000 pas. Une version modifiée de l'algorithme, qui peut traiter plus efficacement le bruit aléatoire induisant des erreurs, fait encore mieux, en moyenne moins de 1800 pas. En comparaison, l'un des algorithmes de recherche locale connus les plus rapides, MarcheSAT, requis des ordres de grandeur plus d'étapes pour résoudre les mêmes problèmes. De plus, l'AmoebaSAT surpasse WalkSAT de manière plus significative à mesure que le nombre de variables augmente.

Les chercheurs proposent que les performances supérieures d'AmoebaSAT proviennent de sa fonction de "recherche simultanée", se référant à sa capacité à mettre à jour plusieurs variables simultanément. En revanche, Les algorithmes WalkSAT et d'autres méthodes qui s'exécutent sur des ordinateurs numériques conventionnels ne peuvent mettre à jour qu'une seule variable à chaque étape. Cette caractéristique "série" peut être retracée jusqu'à la machine de Turing, qui définissait la notion conventionnelle de calcul. À l'avenir, les chercheurs prévoient d'explorer davantage les origines des avantages de performance du nouvel algorithme inspiré de la nature.

Un autre avantage du nouvel algorithme qui le rend particulièrement prometteur pour les développements futurs est son évolutivité potentielle. De nombreux ordinateurs naturels, tels que les réseaux de neurones inspirés du cerveau, nécessitent un grand nombre de fils interconnectés qui croît rapidement au fur et à mesure que la complexité du problème augmente, limitant l'évolutivité de ces réseaux. L'architecture inspirée des amibes évite ce problème car le nombre d'unités interconnectées ne croît que linéairement à mesure que la complexité augmente.

Avec tous ces avantages, les chercheurs espèrent que l'informatique inspirée des amibes offrira plus qu'une simple nouveauté informatique, mais un moyen pratique de mettre en œuvre la future technologie informatique à l'échelle nanométrique.

"Actuellement, nous venons de concevoir le système et de vérifier qu'il fonctionne plutôt bien, bien que le bon fonctionnement des cliquets électriques browniens ait déjà été confirmé, " dit Aono. " Dans un futur proche, nous allons fabriquer le système actuel AmoebaSAT mis en œuvre à l'aide du cliquet électrique brownien et démontrer qu'il atteint avec succès ses excellentes performances en termes d'efficacité, miniaturisation, et des réductions de la consommation d'énergie."

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