Logik aus Chaos

Ein rekonfigurierbarer Chip, entwickelt von ChaosLogix in Gainesville, FL, ermöglicht es, eine Schaltung im Handumdrehen von einem Typ in einen anderen umzuwandeln. Die Möglichkeit, Chips nach der Herstellung unbegrenzt oft neu zu entwerfen, könnte Chips schneller und robuster machen. Und letztendlich könnten die Kosten für die Herstellung integrierter Schaltkreise gesenkt werden, indem die Notwendigkeit verringert wird, teure, kundenspezifische Chips herzustellen.

Die neuartigen Chips arbeiten, indem sie das inhärente chaotische Verhalten innerhalb der integrierten Schaltungen ausnutzen, sodass sich eine einzelne, einfache Schaltung wie jede Art von Logikgatter verhalten kann. Ein solcher Chip könnte beispielsweise von einer Grafikkarte in einen Speicherchip und wieder zurück verwandelt werden – in nur zwei Computertaktzyklen. Wir haben die Grenze zwischen Software und Hardware verwischt, sagt William Ditto , Chief Technology Officer von ChaoLogix, das aus der Forschung an der University of Florida hervorgegangen ist.

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In vielerlei Hinsicht ähnelt das Konzept der Entwicklung von Software-Defined Radios [SDRs], sagt Ditto. Dies sind Geräte, die eine Kombination aus speziell angefertigten integrierten Schaltkreisen und vorhandenen rekonfigurierbaren Chips verwenden, um eine flexible Mischung aus Hardware und Software bereitzustellen, um drahtlose Geräte herzustellen, die sich an den Betrieb bei unterschiedlichen Funkfrequenzen und Standards anpassen können. Aber während SDRs nur Funkgeräte herstellen können und aus mehreren Chips bestehen, die drahtlose Funktionen ausführen, könnten die Chips von ChaoLogix theoretisch alle diese Chips in einem einzigen Gerät ersetzen.



Bestehende rekonfigurierbare Chips, sogenannte Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), enthalten programmierbare Verbindungen, die neu verdrahtet werden können, um verschiedene Funktionen auszuführen. FPGAs lassen sich jedoch relativ langsam neu konfigurieren und benötigen normalerweise Millisekunden für jede Neuverdrahtung oder etwa eine Million Mal langsamer als die Chips von ChaoLogix.

Aufgrund dieser Einschränkung neigen FPGAs dazu, nur einmal rekonfiguriert zu werden, um eine einzige permanente Schaltung zu bilden, normalerweise als relativ billige Alternative zum Bau dedizierter Chips. Die Herstellung eines dedizierten Chips ist sehr teuer, sagt Allan Cantle, CEO von Nallatech , in Glasgow, Schottland, das Software für FPGAs entwickelt. Sie können leicht zig Millionen Dollar ausgeben, nur um Ihren ersten funktionierenden Chip herzustellen.

Anstatt programmierbare Verbindungen zu verwenden, besteht der Ansatz von ChaoLogix darin, feste Schaltkreise zu verwenden und stattdessen ihr inhärentes Rauschen oder Chaos auszunutzen, damit sie unterschiedliche Ausgaben erzeugen, ohne sie zu ändern. Normalerweise bestehen die Schaltungen auf einem Chip aus Anordnungen von Transistoren, die sich wie ein bestimmter Typ eines digitalen Logikgatters verhalten, beispielsweise ein NAND- und ein NOR-Gatter. Wenn die Eingangsspannungen dieser Schaltungen jedoch unter bestimmte Schwellenwerte fallen, wird ihr Verhalten chaotisch, was zu unerwünschten Ausgängen führt.

Der Trick von ChaoLogix besteht darin, diese chaotischen Zustände zu nutzen. Sie haben eine Logikgatterschaltung entwickelt, die sich wie jede Art von Logikgatter verhalten kann – wenn die Eingangsspannungen genau richtig sind.

Die verbreitete Vorstellung, dass chaotische Systeme instabil und unberechenbar seien, sei nicht zutreffend, sagt Ditto. Solche Systeme können sehr empfindlich auf Änderungen reagieren, und gewünschte Zustände können zuverlässig und reproduzierbar erzeugt werden, sofern nur geringfügige Änderungen an den Eingaben vorgenommen werden.

Wenn Sie nur kleine Änderungen am Eingang vornehmen, können Sie [eine Schaltung] anpassen, um ganz andere Dinge zu tun, sagt Celso grebogi , Professor für nichtlineare und chaotische Systeme an der University of Aberdeen in Schottland. Das schaffe eine größere Flexibilität, weil es mehr Zustände in einem gegebenen System zur Verfügung stelle, sagt er. Aus diesem Grund sieht Grebogi, wie Ingenieure sich zunehmend dem Chaos zuwenden, um mehr aus ihrer Hardware herauszuholen.

Dies wäre für Mainstream-Computing-Anwendungen sehr nützlich, sagt Julian Miller , Dozent für Elektronik an der University of York in England, der FPGAs für evolutionäre Computeranwendungen verwendet hat. Derzeit sind FPGAs für seine Zwecke einfach zu langsam. Ein Riesenproblem, sagt er. Die Möglichkeit, einen Chip innerhalb eines einzigen Taktzyklus neu zu konfigurieren, wäre ein großer Vorteil, sagt er.

ChaoLogix ist so weit gekommen, dass es jede Art von Gate aus einer kleinen Schaltung von etwa 30 Transistoren erstellen kann. Diese Schaltung wird dann über den Chip wiederholt, der in einem einzigen Taktzyklus in verschiedene Anordnungen von Logikgattern umgewandelt werden kann, sagt Ditto.

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Obwohl sowohl Intel als auch AMD die Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben, steckt die Technologie noch in den Kinderschuhen, sagt Ditto. ChaoLogix sammelt 2 Millionen US-Dollar, um eine Reihe von Prototypen zu produzieren. Aber selbst wenn das Unternehmen nur einen winzigen Anteil an den Chipmärkten gewinnen kann, wird es riesig sein, sagt Ditto.

Abgesehen davon, dass sie extrem schnell ist, hat die Verwendung einer einzigen Schaltung enorme Vorteile gegenüber FPGAs. Die Art und Weise, wie FPGAs entworfen werden, nimmt viel Siliziumfläche in Anspruch und verbraucht viele Ressourcen. Mit den Chips von ChaoLogix hat man ein Auto in einer kleineren Garage und es kann zwischen hundert verschiedenen Autotypen wechseln, sagt Ditto.

Es ist nicht das erste Mal, dass jemand versucht, rekonfigurierbare Chips mit einem einzigen Taktzyklus zu entwickeln. Es ist ausgetretener Boden, sagt Cantle. Die meisten Unternehmen, die es versucht haben, sind gekommen und gegangen. Eine der Herausforderungen liegt in der Software, die zum Rekonfigurieren des Chips erforderlich ist, sagt Mark Parsons , kaufmännischer Direktor des Edinburgh Parallel Computing Centre in Schottland, der im Rahmen eines gemeinsamen Industrie- und akademischen Projekts FPGAs verwendet, um einen Supercomputer zu bauen. Sie seien immer noch sehr schwer zu programmieren, erklärt er. Es ist nicht nur komplex, jede Konfiguration zu entwerfen, sondern jede Softwarevorlage, die die Konfiguration beschreibt, beansprucht Rechenressourcen.

Andere stimmen zu. Der Erfolg eines rekonfigurierbaren Chips hängt nicht nur davon ab, was er kann, sagt André DeHon , Assistant Professor für Informatik am California Institute of Technology in Pasadena. Wenn es sich für die meisten Programmierer als zu komplex erweist, kommt es möglicherweise nie auf den Weg.

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