Dari pola percabangan urat daun hingga berbagai jalur yang saling berhubungan yang menyebarkan virus corona, alam tumbuh subur di jaringan — kisi-kisi yang menghubungkan berbagai komponen sistem yang kompleks. Jaringan mendasari masalah kehidupan nyata seperti menentukan rute paling efisien bagi perusahaan truk untuk mengirimkan obat-obatan yang menyelamatkan jiwa dan menghitung jumlah mutasi terkecil yang diperlukan untuk mengubah satu untai DNA menjadi yang lain.

Alih-alih mengandalkan perangkat lunak untuk mengatasi teka-teki komputasi intensif ini, para peneliti di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) mengambil pendekatan yang tidak konvensional. Mereka menciptakan desain untuk sistem perangkat keras elektronik yang secara langsung mereplikasi arsitektur berbagai jenis jaringan.

Para peneliti menunjukkan bahwa sistem perangkat keras yang mereka usulkan, menggunakan teknik komputasi yang dikenal sebagai logika balapan, dapat memecahkan berbagai teka-teki kompleks dengan cepat dan dengan pengeluaran energi yang minimal. Logika balapan membutuhkan lebih sedikit daya dan memecahkan masalah jaringan lebih cepat daripada komputer tujuan umum yang bersaing.

Para ilmuwan, yang termasuk Advait Madhavan dari NIST dan University of Maryland di College Park dan Matthew Daniels dan Mark Stiles dari NIST, menjelaskan pekerjaan mereka di Volume 17, Edisi 3, Mei 2021 dari ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems .

Fitur utama dari logika ras adalah ia mengkodekan informasi secara berbeda dari komputer standar. Informasi digital biasanya dikodekan dan diproses menggunakan nilai bit komputer — "1" jika pernyataan logika benar dan "0" jika salah. Ketika bit membalik nilainya, katakanlah dari 0 ke 1, itu berarti bahwa operasi logika tertentu telah dilakukan untuk menyelesaikan masalah matematika.

Sebaliknya, logika ras mengkodekan dan memproses informasi dengan merepresentasikannya sebagai sinyal waktu — waktu di mana sekelompok bit komputer tertentu bertransisi, atau membalik, dari 0 ke 1. Sejumlah besar pembalikan bit adalah penyebab utama konsumsi daya yang besar. di komputer standar. Dalam hal ini, logika balapan menawarkan keuntungan karena sinyal yang dikodekan dalam waktu hanya melibatkan sedikit membalik bit yang diatur dengan hati-hati untuk memproses informasi, membutuhkan daya yang jauh lebih sedikit daripada sinyal yang dikodekan sebagai 0s atau 1s.

Perhitungan kemudian dilakukan dengan menunda beberapa sinyal waktu relatif terhadap yang lain, ditentukan oleh fisika sistem yang dipelajari. Misalnya, pertimbangkan sekelompok pengemudi truk yang mulai dari titik A dan harus mengantarkan obat ke titik E secepat mungkin. Kemungkinan rute yang berbeda melewati tiga persimpangan — sebut saja B, C dan D. Untuk menentukan rute yang paling efisien, sirkuit logika balapan mengevaluasi setiap kemungkinan segmen perjalanan, seperti AB dan AD. Jika AB membutuhkan waktu lebih lama untuk melakukan perjalanan daripada AD, apakah itu karena jalurnya lebih panjang atau memiliki lebih banyak lalu lintas, AB akan diberi waktu tunda yang lebih lama. Dalam desain tim, penundaan waktu yang lebih lama diterapkan dengan menambahkan resistensi tambahan ke segmen yang lebih lambat.

Logika balapan memang melibatkan balapan, tetapi dalam kontes ini semua pengemudi truk awalnya mengemudi ke arah yang berbeda. Untuk menentukan rute mana ke tujuan akhir yang tercepat, mereka berlomba di semua rute yang mungkin melalui titik pengiriman perantara yang berbeda. Di sirkuit baru, para peneliti NIST memasukkan sekelompok sinyal yang dikodekan waktu pada titik awal, masing-masing bertindak sebagai driver berbeda yang mempercepat sirkuit perangkat keras simulasi tim.

Setiap kali seorang pengemudi tiba di salah satu titik tujuan antara dalam perlombaan, sistem model mengirimkan pengemudi baru (sinyal waktu baru) yang menyebar ke arah yang berbeda ke tujuan yang tersisa. Jika seorang pengemudi tiba di tempat tujuan yang telah dikunjungi pengemudi lain, pengemudi itu keluar, karena jalannya tidak lagi kompetitif. Pemenang balapan — pembalap pertama yang tiba di akhir sirkuit — menunjukkan solusi untuk teka-teki tertentu yang diprogram untuk dipecahkan oleh perangkat keras.

Madhavan mulai merintis pekerjaan pada sirkuit logika balapan saat menjadi mahasiswa pascasarjana di University of California, Santa Barbara, pada tahun 2016. Sistem pertama tersebut menggunakan sirkuit khusus dan chip silikon yang dirancang untuk mensimulasikan jaringan tertentu, seperti manipulasi DNA, dan oleh karena itu dapat memecahkan hanya sejumlah terbatas masalah terkait jaringan.

Di NIST, Madhavan dan rekan-rekannya telah mulai mengerjakan sirkuit logika balapan yang lebih maju. Simulasi yang dilakukan oleh Madhavan, Daniels dan Stiles menunjukkan bahwa desain mereka, yang belum dimasukkan ke dalam perangkat yang berfungsi, dapat menangani kelas jaringan yang jauh lebih luas, memungkinkan logika balapan untuk menangani berbagai teka-teki komputasi yang lebih luas. Teka-teki ini termasuk menemukan keselarasan terbaik antara dua protein atau dua string nukleotida — molekul yang membentuk blok pembangun DNA — dan menentukan jalur terpendek antara dua tujuan dalam jaringan.

“Kami menunjukkan cara menggunakan memori, yang belum pernah digunakan dalam implementasi logika balapan sebelumnya, untuk membuat komputer temporal yang lebih umum,” kata Stiles. “Memasukkan memori akan memungkinkan kami untuk menangani kelas masalah yang luas dengan chip logika balapan berikutnya yang kami rencanakan untuk dibuat,” tambahnya.

Para peneliti sekarang telah mulai membangun perangkat keras berdasarkan desain mereka.

Makalah: Advait Madhavan, Matthew W. Daniels dan Mark D. Stiles. Mesin Status Temporal: Menggunakan memori temporal untuk menjahit perhitungan grafik berbasis waktu. Jurnal ACM tentang Teknologi yang Muncul dalam Sistem Komputasi . Mei 2021. DOI: https://doi.org/10.1145/3451214