Microsoft revela computador analógico que funciona com luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/06/2023

Esta é a segunda geração do computador MAI, com 48 variáveis, montado em um rack padrão.
[Imagem: Microsoft]

Computação fotônica

Uma equipe da Universidade de Cambridge (Reino Unido) e da Microsoft apresentou um computador óptico capaz de resolver problemas de otimização quase na velocidade da luz.

Os computadores ópticos - você pode ouvir falar também em processadores fotônicos ou processadores de luz - não são máquinas binárias, como os computadores eletrônicos atuais, são máquinas analógicas, que funcionam com luz em vez de eletricidade.

Têm sido apresentadas diversas versões desses processadores de luz nos últimos anos, com diferentes arquiteturas e diversos níveis de funcionalidades. E, não por acaso, a maioria deles é voltada para a solução de problemas de otimização combinatória, uma classe de problemas de enorme interesse prático, mas que são intensivos demais em computação para os processadores eletrônicos - mesmo para os maiores supercomputadores.

Entendendo o problema

Problemas de otimização são desafios matemáticos que exigem encontrar a melhor solução possível a partir de um conjunto de alternativas viáveis. O mundo moderno depende largamente de soluções eficientes para esses problemas, desde o gerenciamento de eletricidade em nossas redes elétricas e a simplificação da entrega de mercadorias até a otimização do roteamento do tráfego da internet ou a composição de carteiras de ativos no mercado financeiro.

Para as versões maiores desses problemas, mesmo o maior supercomputador do mundo ficaria ocupado por anos ou mesmo séculos para encontrar a solução ideal.

Durante anos, pesquisadores, tanto na indústria quanto na academia, têm construído máquinas especializadas para resolver problemas de otimização com mais eficiência usando algoritmos heurísticos. Isso inclui uma variedade de hardwares e arquiteturas, das tradicionais FPGAs (Matrizes de Portas Programáveis em Campo), recozimentos quânticos e sistemas osciladores paramétricos elétricos e ópticos.

No entanto, todos eles dependem da tradução dos problemas de otimização para a mesma representação binária - por exemplo, máquinas de Ising, Max-Cut ou QUBO (Otimização Irrestrita Quadrática Binária). Infelizmente, nenhum desses esforços transformou-se ainda em uma alternativa prática aos computadores convencionais porque é muito difícil mapear problemas de otimização do mundo real em larga escala para a abstração binária.

É aí que entra a inovação apresentada agora pela equipe de Cambridge e da Microsoft, uma nova arquitetura chamada Máquina Analógica Iterativa (MAI ou, em inglês, AIM: Analog Iterative Machine).

Ilustração do computador MAI, que implementa a multiplicação massivamente paralela de vetores-matrizes usando tecnologias ópticas comuns (atrás) e não-linearidade aplicada usando eletrônica analógica (na frente). O vetor é representado usando uma matriz de fontes de luz, a matriz é incorporada na matriz do modulador (mostrada em escala de cinza) e o resultado é coletado no sensor da câmera.
[Imagem: Microsoft]

Máquina Analógica Iterativa

Embora os fótons tipicamente não interajam uns com os outros, os fótons interagem com a matéria através da qual se propagam, permitindo realizar operações lineares, como adição e multiplicação, que formam a base para aplicações de otimização - na verdade já há componentes emergentes que permitem que a luz interaja consigo mesma, mas ainda não estão prontos para uso prático.

Por exemplo, quando a luz incide sobre o sensor da câmera do celular, ela soma os fótons recebidos e gera a quantidade equivalente de corrente que irá representar a cor coletada em cada píxel. Além disso, a transmissão de dados por fibra óptica depende da codificação da luz em termos de 0s e 1s, o que é feito controlando sua intensidade. Esse dimensionamento da luz por meio da interação luz-matéria multiplica a intensidade da luz por um valor específico, ou seja, realizar uma multiplicação no domínio óptico.

Além das tecnologias ópticas para operações lineares, vários outros componentes eletrônicos presentes nas tecnologias cotidianas podem realizar operações não lineares que também são críticas para algoritmos de otimização eficientes.

O que a equipe fez foi selecionar essas diversas tecnologias e implementar sua Máquina Analógica Iterativa com componentes de prateleira. As fontes de luz, por exemplo, são microLEDs já presentes em telas de TV, enquanto o sensor que lê a resposta é o mesmo CCD de uma câmera digital.

Foto do protótipo em funcionamento.
[Imagem: Microsoft]

Nascida para a prática

Ao contrário de demonstrações anteriores de computação óptica, em que os resultados saem na hora, na velocidade da luz, a máquina construída pela equipe é híbrida, ou seja, ela possui componentes ópticos e eletrônicos.

Contudo, ela foi desde o início pensada para ser prática, resolvendo problemas do mundo real, e não apenas para fazer demonstração de uma possibilidade de computação. Seu funcionamento é baseado no tradicional algoritmo QUBO, no qual foi introduzida uma abstração matemática mais expressiva, criando uma solução que a equipe batizou de QUMO (Otimização Irrestrita Quadrática Mista).

O mecanismo híbrido permite representar variáveis mistas - binárias e contínuas - e é compatível com a implementação de hardware disponível, tanto óptico quanto eletrônico, tornando-o o "ponto ideal", segundo a Microsoft, para muitas aplicações práticas e problemas pesados de otimização.

Em discussões com especialistas do setor produtivo, a equipe concluiu que escalonar a MAI (Máquina Analógica Iterativa) para 10.000 variáveis será suficiente para a maioria dos problemas práticos atuais. Além disso, um problema com 10.000 variáveis que possa ser mapeado diretamente para a abstração QUMO exige um computador MAI com 10.000 variáveis físicas, enquanto exigiria mais de um milhão de variáveis físicas para rodar nas máquinas especializadas desenvolvidas até agora, o que está muito além das capacidades do hardware de cada uma, ao menos até o momento.

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