数模混合电路可以提高混沌系统的计算能力

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特蕾西皮克 tracey_peake@ncsu.edu 919.515.6142

北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)的一项新研究发现，在非线性、基于混沌的集成电路中，将数字和模拟元件结合起来，可以通过处理大量输入来提高其计算能力。这种“两全其美”的方法可以使电路在不增加其物理尺寸的情况下执行更多的计算。

计算机科学家和设计师正在努力跟上摩尔定律，该定律指出，为了满足处理需求，集成电路上的晶体管数量每两年将翻一番。在晶体管的尺寸方面，它们正迅速达到物理极限——继续缩小晶体管以容纳更多芯片是不可能的。

基于混沌的非线性电路已经被提出作为解决这个问题的方法，因为一个电路可以执行多个计算，而不是目前的“一个电路，一个任务”的设计。然而，在基于混沌的计算中，可以处理的输入数量受到环境噪声的限制，这降低了精度。环境噪声是指由温度变化、电压波动或半导体缺陷引起的随机信号波动。

“噪声一直是几乎所有工程应用中的一个大问题，包括计算设备和通信，”北卡罗来纳州立大学博士后研究学者、描述这项工作的论文的第一作者Vivek Kohar说。“我们的系统是非线性的，所以噪声可能会带来更大的问题。”

为了解决这个问题，研究人员创造了一个混合系统，它使用与门的数字块和模拟非线性电路来分配数字和模拟电路之间的计算。结果是计算时间的指数减少，这意味着输出可以测量，而基于噪声的偏差仍然很小。简而言之，计算执行得如此之快，以至于噪音没有时间影响其准确性。

为了进一步提高精度，Kohar和他的同事们提出了耦合多个系统的解决方案。这种耦合提供了一个安全网，在最后阶段减少基于噪声的偏差的影响。

“想想登山，”科哈尔说攀岩者可以单独攀爬，但如果一个人滑倒，他/她可能会有危险的坠落。所以他们用绳子把它们连在一起。如果其中一个滑倒，其他人将防止他们摔倒。我们的系统有点像这样，所有的系统都是相互连接的。

“系统的调整方式是，在测量时，我们的系统处于最大值或最小值，即噪声影响一般较低的点，如果系统耦合，则噪声影响要小得多。再举一次登山的例子，这意味着我们取登山者在山顶或山谷等休息地点的平均值，在那里他们之间的距离最小。”

这项研究发表在应用物理评论. 科哈尔是第一作者。北卡罗来纳州物理学研究助理教授；北卡罗来纳州理学院院长威廉·迪托；伍斯特学院的物理学教授约翰·林德纳对这项工作做出了贡献。这项研究由海军研究办公室资助，资助项目为N00014-16-1-3056和STTR N00014-14-C-0033。

皮克-

编辑报告以下是该作品的摘要。

数字模拟混合系统中布尔函数的实现

内政部：10.1103/physrevied.7.044006

作者Vivek Kohar、Behnam Kia、William Ditto、北卡罗来纳州立大学；约翰·林德纳，伍斯特学院
出版:物理评论应用

文摘:
提出了一种利用混沌计算实现多输入单输出布尔函数的结构，该结构由传统与门的数字块和非线性电路组成。这种结构有效地利用了非线性电路的超稳定初始条件，使我们能够实现所有可能的2^2米布尔函数的m个数据输入在仅仅m次迭代的非线性电路，导致更好的运行速度和噪声容忍度。在理想的非线性映射中，这种架构不需要解码器，因为输出被映射到映射的最大值和最小值，并且可以直接馈送到下一阶段，从而实现多层串联。我们演示了这种结构在三晶体管电路中的实用性。