CONCEPTION INFORMATIQUE RÉVOLUTIONNAIRE: Calculateur analogique

Pourquoi un ordinateur analogique

Les ordinateurs numériques, basés sur la logique binaire, ont bouleversé le monde en l'espace d'une vie. Puissance de traitement, conservation des données et connectivité ont apporté tant de contributions – positives et négatives – à nos vies qu'il est inutile de tenter de les résumer. Mais tout cela a un coût élevé, en ressources et en énergie. Et il a des limites, qui empêcheront nombre des affirmations les plus extravagantes sur l'informatique de se concrétiser.

Les ordinateurs analogiques apportent – ​​ou apporteront – des solutions à ces problèmes. Nous examinons ici de plus près les enjeux du numérique et la manière dont l'analogique les aborde, en nous référant aux descriptions très concrètes du logiciel qui définit l'architecture analogique proposée et à ses implications philosophiques.

Il y avait une émission télévisée populaire qui proposait un jeu où les candidats devaient répondre à des questions sans utiliser les mots « oui » ou « non ». C'était délicat, car le présentateur lançait des questions qui invitaient naturellement à une telle réponse. Mais imaginez combien il serait plus difficile de mener une conversation où seuls des « oui » ou « non » peuvent être répondus.

Par exemple, pour déterminer le nombre de personnes dans la famille d'un répondant, la méthode logique serait de poser des questions qui réduisent les options en plusieurs étapes. Par exemple, si la réponse était 5, les questions pourraient être : est-ce 8 ou plus ? Non. Est-ce 4 ou plus ? Oui. Est-ce 6 ou plus ? Non. Est-ce 5 ? Oui.

Il arrive à la réponse, mais c'est très maladroit. Or, c'est ainsi que fonctionne un ordinateur numérique : tout ce qu'il traite, il le traite comme une séquence de valeurs binaires : oui/non, vrai/faux, 0/1. La séquence de questions de l'exemple illustre le codage d'une valeur numérique dans un ordinateur : la séquence « Non, Oui, Non, Oui » devient 0101, la représentation binaire du nombre 5.

Cette maladresse numérique est généralement invisible aux utilisateurs, qui constatent la fluidité et la facilité avec lesquelles leurs PC et téléphones traitent tout type d'informations ou de données. Mais cette illusion a un coût considérable. Elle implique des milliards de transistors électroniques fonctionnant à un rythme effréné et consommant d'énormes quantités d'énergie, ce qui échauffe nos appareils et sollicite massivement l'alimentation électrique des centres de données.

Ce qui précède explique deux façons dont le calcul analogique pourrait utiliser moins de ressources que le calcul numérique. Premièrement, en nécessitant moins d'énergie pour effectuer des transitions fluides que pour effectuer des sauts binaires, et deuxièmement, en utilisant moins d'unités pour coder les valeurs (une valeur analogique nécessite de nombreux bits numériques pour représenter la même information).

Cet avantage cache un avantage plus subtil en termes de performances. Avec le binaire, lorsqu'une valeur unique nécessite plusieurs portes pour la représenter, il est nécessaire de garantir une synchronisation parfaite de ces portes. (En fait, elles alternent entre des phases de transition, lorsque leurs sorties changent et ne peuvent être lues de manière fiable, et des phases cadencées, lorsqu'elles sont toutes stables et que leurs sorties sont valides.) De là la nécessité d'une horloge maître centrale et la lourdeur fondamentale d'un ordinateur numérique : il passe d'un état statique à un autre, au rythme de l'horloge. C'est d'ailleurs ce qui permet d'arrêter un ordinateur, d'enregistrer son état et de le figer dans le temps jusqu'à son redémarrage, comme si de rien n'était. (Ce qui donne également naissance au cliché populaire, mais absurde, de la science-fiction consistant à copier ou à préserver les cerveaux.)

Les ordinateurs analogiques sont asynchrones. Parce que leurs composants de base sont des cellules qui se comportent de manière autonome, ils sont libres de varier de manière continue et fluide, sans avoir besoin d’une horloge centrale. Cette autonomie présente un autre avantage majeur par rapport aux ordinateurs numériques : l'absence de processeur central, goulot d'étranglement majeur limitant les possibilités de croissance du système, permet d'ajouter des cellules pour former des systèmes parallèles massifs sans surcharge supplémentaire.

Les ordinateurs analogiques sont configurés, pas programmés. L'absence de processeur central signifie l'absence de processus central, ou de programme. Cela signifie qu'il n'y a pas de distinction entre « code de programme » et « données ». Cela signifie que l'adaptation, l'habituation et l'apprentissage peuvent être configurés au niveau qcell, conduisant à des systèmes intrinsèquement flexibles et réactifs à leurs environnements.

Alors, qu'est-ce que l'ordinateur analogique proposé par QQRONA ?

Pour mieux comprendre la nature de ce projet, il est utile d'examiner d'abord le cœur d'un ordinateur numérique. La logique binaire y est implémentée par un large éventail de « portes » logiques, constituées de transistors électroniques et disponibles en un nombre limité de variantes. Ceux-ci remplissent les fonctions logiques initialement conçues par des mathématiciens tels que Frege et Boole. Prenons l'exemple de portes à deux entrées :

• Les portes ET ne valent 1 que si les deux entrées sont à 1

• Les portes OU valent 1 si une ou deux entrées sont à 1

• XOR (OU exclusif) si une seule entrée est à 1.

Les versions négatives des portes (par exemple, NAND, NOR) inversent la valeur de sortie. Tous les ordinateurs et autres appareils numériques sont constitués de ces quelques portes de base.

Ces portes présentent d'autres caractéristiques :

• Elles nécessitent de l'énergie. Les transistors sont des composants « actifs » qui nécessitent une source d'alimentation pour passer à l'état de sortie 1 ou 0.

• Leurs sorties ne sont considérées comme valides qu'une fois leur état final atteint, ce qui peut prendre un certain temps. Cela signifie que l'ensemble des portes doit être échantillonné à intervalles fixes, toutes les transitions se produisant simultanément entre les échantillons.

• Les portes sont entièrement réactives ; leurs sorties ne changent qu'en réponse directe à leurs entrées.

• Chaque porte peut recevoir en entrée les données qu'elle traite et le code de programme représentant les instructions de son système d'exploitation lui indiquant comment les traiter.

Le nom « porte » est tout à fait approprié : on peut imaginer une longue rangée de portes, avec des personnes alignées de chaque côté, attendant. De temps en temps, toutes les portes s'ouvrent simultanément, et alors certaines personnes passent selon les instructions qui leur ont été données. Les portes se referment ensuite jusqu'à la prochaine ouverture. Bien sûr, dans les appareils numériques modernes, les portes s’ouvrent et se ferment des milliards de fois par seconde.

QQRONA utilise une petite variété de composants standards pour construire des systèmes complexes, de manière similaire aux portes logiques, afin de les transformer en systèmes fonctionnels complexes. Cependant, ces composants, appelés cellules QQRONA ou qcells, sont très différents des portes numériques :

• Leurs sorties peuvent varier constammententre 0 et 1

• Les qcells sont configurées pour répondre à leurs entrées, non pas en définissant leur valeur de sortie, mais la vitesse à laquelle la sortie varie en réponse à l'entrée.

• Les qcells sont asynchrones et autonomes : elles fonctionnent de manière indépendante et ne nécessitent aucun programme ni processeur central pour les piloter.

• Les variations progressives de la sortie se produisent naturellement, sans être forcées à des extrêmes, ce qui nécessite moins d'énergie.

Ces caractéristiques, au niveau des qcells de base, sont à l'origine des caractéristiques comportementales de QQRONA dans son ensemble :

• Faible consommation d'énergie

• Comportement dynamique

• Aucune distinction entre les données et le code du programme

• Les sorties véhiculent beaucoup plus d'informations et sont donc plus efficaces.

Quelles applications sont les plus adaptées à l'analogique ?

La force de QQRONA réside dans la modélisation de systèmes comportementaux complexes, caractérisés par de multiples circuits de rétroaction, tels que les systèmes nerveux animaux et les systèmes météorologiques, où les techniques mathématiques traditionnelles deviennent complexes et nécessitent une puissance de traitement numérique considérable.

Cependant, QQRONA convient à toute application traitant des informations analogiques du monde réel, par exemple dans les domaines scientifiques, de la modélisation, médical et du contrôle temps réel. Notez que QQRONA est conçu autour d'un modèle de base efficace et peu gourmand en ressources, qui peut être extrait de l'environnement de développement de la boîte à outils et déployé dans un système de contrôle embarqué.