Microsoft revela computador ptico analgico para resolver problemas de otimizao

Informtica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 30/06/2023

Computao fotnica

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

Os computadores pticos – voc pode ouvir falar tambm em processadores fotnicos ou processadores de luz – no so mquinas binrias, como os computadores eletrnicos atuais, so mquinas analgicas, que funcionam com luz em vez de eletricidade.

Tm sido apresentadas diversas verses desses processadores de luz nos ltimos anos, com diferentes arquiteturas e diversos nveis de funcionalidades. E, no por acaso, a maioria deles voltada para a soluo de problemas de otimizao combinatria, uma classe de problemas de enorme interesse prtico, mas que so intensivos demais em computao para os processadores eletrnicos – mesmo para os maiores supercomputadores.

Entendendo o problema

Problemas de otimizao so desafios matemticos que exigem encontrar a melhor soluo possvel a partir de um conjunto de alternativas viveis. O mundo moderno depende largamente de solues eficientes para esses problemas, desde o gerenciamento de eletricidade em nossas redes eltricas e a simplificao da entrega de mercadorias at a otimizao do roteamento do trfego da internet ou a composio de carteiras de ativos no mercado financeiro.

Para as verses maiores desses problemas, mesmo o maior supercomputador do mundo ficaria ocupado por anos ou mesmo sculos para encontrar a soluo ideal.

Durante anos, pesquisadores, tanto na indstria quanto na academia, tm construdo mquinas especializadas para resolver problemas de otimizao com mais eficincia usando algoritmos heursticos. Isso inclui uma variedade de hardwares e arquiteturas, das tradicionais FPGAs (Matrizes de Portas Programveis em Campo), recozimentos qunticos e sistemas osciladores paramtricos eltricos e pticos.

No entanto, todos eles dependem da traduo dos problemas de otimizao para a mesma representao binria – por exemplo, mquinas de Ising, Max-Cut ou QUBO (Otimizao Irrestrita Quadrtica Binria). Infelizmente, nenhum desses esforos transformou-se ainda em uma alternativa prtica aos computadores convencionais porque muito difcil mapear problemas de otimizao do mundo real em larga escala para a abstrao binria.

a que entra a inovao apresentada agora pela equipe de Cambridge e da Microsoft, uma nova arquitetura chamada Mquina Analgica Iterativa (MAI ou, em ingls, AIM: Analog Iterative Machine).

Mquina Analgica Iterativa

Embora os ftons tipicamente no interajam uns com os outros, os ftons interagem com a matria atravs da qual se propagam, permitindo realizar operaes lineares, como adio e multiplicao, que formam a base para aplicaes de otimizao – na verdade j h componentes emergentes que permitem que a luz interaja consigo mesma, mas ainda no esto prontos para uso prtico.

Por exemplo, quando a luz incide sobre o sensor da cmera do celular, ela soma os ftons recebidos e gera a quantidade equivalente de corrente que ir representar a cor coletada em cada pxel. Alm disso, a transmisso de dados por fibra ptica depende da codificao da luz em termos de 0s e 1s, o que feito controlando sua intensidade. Esse dimensionamento da luz por meio da interao luz-matria multiplica a intensidade da luz por um valor especfico, ou seja, realizar uma multiplicao no domnio ptico.

Alm das tecnologias pticas para operaes lineares, vrios outros componentes eletrnicos presentes nas tecnologias cotidianas podem realizar operaes no lineares que tambm so crticas para algoritmos de otimizao eficientes.

O que a equipe fez foi selecionar essas diversas tecnologias e implementar sua Mquina Analgica Iterativa com componentes de prateleira. As fontes de luz, por exemplo, so microLEDs j presentes em telas de TV, enquanto o sensor que l a resposta o mesmo CCD de uma cmera digital.

Nascida para a prtica

Ao contrrio de demonstraes anteriores de computao ptica, em que os resultados saem na hora, na velocidade da luz, a mquina construda pela equipe hbrida, ou seja, ela possui componentes pticos e eletrnicos.

Contudo, ela foi desde o incio pensada para ser prtica, resolvendo problemas do mundo real, e no apenas para fazer demonstrao de uma possibilidade de computao. Seu funcionamento baseado no tradicional algoritmo QUBO, no qual foi introduzida uma abstrao matemtica mais expressiva, criando uma soluo que a equipe batizou de QUMO (Otimizao Irrestrita Quadrtica Mista).

O mecanismo hbrido permite representar variveis mistas – binrias e contnuas – e compatvel com a implementao de hardware disponvel, tanto ptico quanto eletrnico, tornando-o o “ponto ideal”, segundo a Microsoft, para muitas aplicaes prticas e problemas pesados de otimizao.

Em discusses com especialistas do setor produtivo, a equipe concluiu que escalonar a MAI (Mquina Analgica Iterativa) para 10.000 variveis ser suficiente para a maioria dos problemas prticos atuais. Alm disso, um problema com 10.000 variveis que possa ser mapeado diretamente para a abstrao QUMO exige um computador MAI com 10.000 variveis fsicas, enquanto exigiria mais de um milho de variveis fsicas para rodar nas mquinas especializadas desenvolvidas at agora, o que est muito alm das capacidades do hardware de cada uma, ao menos at o momento.

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