השהיה במעגלים אלקטרוניים יוצרת בעיות שטובי המהנדסים מתמודדים איתן – אך נראה שיש לה גם פוטנציאל חיובי. מחקרים חדשים מציעים להשתמש דווקא בהשהיה לביצוע חישובים, במטרה להפחית את צריכת החשמל ואת פיזור החום.

פרסומת

הפוסט נכתב בשיתוף בשיתוף עם ד"ר ניקולס (ניקו) ויינשטיין וקבוצת המחקר AMSG בטכניון [1].

"מצטער על האיחור הרב. המעלית נתקעה, האוטובוס איחר, והלכתי לאט כי היה חמסין."

עיכובים הם מעצבנים, גם בחיים וגם במעגלים חשמליים. השהיה (delay), כלומר הזמן העובר בין כניסת האות לבין יציאתו, היא "שטן" שמהנדסים נלחמים בו: הם מקטינים את ממדי הטרנזיסטורים, מגדילים את צפיפות הרכיבים ומשפרים את ה"כבישים" – מוליכי המתכת המחברים בין הטרנזיסטורים. אבל העלאת המהירות יוצרת בעיה גדולה לא פחות: חום רב ובזבוז ניכר של אנרגיה.

אך לעיתים בעיה במקרה אחד הופכת לפתרון במקרה אחר.

בשנים האחרונות פורסמו מחקרים [2] המציעים לרתום דווקא את ההשהיה לביצוע פעולות החשבון הבסיסיות – כפל וחיבור. במחשב דיגיטלי רגיל, הערכים הבינאריים 0 ו־1 מיוצגים בביטים כשתי רמות שונות של מתח חשמלי. בגישה החדשה, "חישוב בממד הזמן" (Time-Domain Computing - TDC), הערך אינו מקודד בעזרת גובה המתח, אלא באמצעות זמן ההשהיה.

אפשר לדמות זאת למערכת של מכלי מים המחוברים זה לזה. מכל מייצג זמן השהיה: לכל מכל דרוש זמן מסוים כדי להתמלא לפני שהמים זולגים ממנו למכל הבא, וכך כל מכל מוסיף עיכוב לזרימת המים. כאשר המים יוצאים מהמכל האחרון, זמן ההגעה שלהם מייצג את תוצאת החישוב, שהיא סך כל ההשהיות.

בעולם האלקטרוניקה, במקום מים יש זרם חשמלי, ובמקום מכלים יש אלמנטים משהים, למשל קבלים, שניתן לשנות את מהירות הטעינה שלהם באמצעות שינוי מתח הספק. במקרה של זרם חשמלי וקבל כאלמנט השהיה, הזרם אינו 'נשפך' כמו המים: כשהמתח על הקבל עולה ומגיע לסף מסוים, רכיב קטן שנקרא מַשְׁוֶוה (Comparator) יוצר פולס – אות חשמלי קצר – אשר מפעיל מיד את טעינת הקבל הבא בשרשרת.

כך, במקום לסכום מספרים באמצעות מעגלי חיבור דיגיטליים מורכבים, ההשהיות עצמן מצטברות ויוצרות את התוצאה. היתרון הוא שהשימוש בהשהיה מפחית את הצורך במעגלים, הצורכים שטח סיליקון יקר וחשמל.

דוגמה לפעולה נפוצה ששיטת "חישוב בממד הזמן" מנסה לייעל היא הכפלת זוגות מספרים וסכימת המכפלות (X1·Y1 + X2·Y2 + … + Xn·Yn), המכונה Multiply-Accumulate (MAC). זוהי פעולה בסיסית ברשתות נוירונים בבינה מלאכותית.

בסיום התהליך, כיצד הופכים את ההשהיה חזרה לערך דיגיטלי שאפשר, למשל, לשמור בזיכרון? יש שיטות רבות לעשות זאת, לדוגמה [3] "delay-line/FlashTDC". נחזור לאנלוגיית המים: אפשר להציב לצד המתקן שתיארנו שורת קופסאות המחוברות זו לזו. עם פתיחת הברז הראשי, גם הן מתחילות להתמלא. נניח שנדרשת שנייה בדיוק למילוי קופסה, ואז המים גולשים ממנה והקופסה הבאה מתחילה להתמלא. ברגע שהמים יוצאים מהמתקן, סופרים כמה קופסאות התמלאו. זהו מספר השניות השווה לתוצאת החישוב. ביישום ההנדסי, החומרה בודקת באופן אוטומטי את מצב רכיבי ההשהיה ברגע שהאות מגיע, וממירה את התוצאה לייצוג בינארי סטנדרטי של 0 ו־1. (ראו פוסט על בסיסי ספירה [4].)

שיטת החישוב בממד הזמן אטרקטיבית במיוחד כאשר חלק מהנתונים נשמרים בזיכרון הצמוד למעגלים (Compute-in-Memory, CIM) [5]. חולשתה הידועה היא רגישות לפרמטרים של תהליך הייצור, מכיוון שהיא מחייבת שלכל רכיב תהיה השהיה צפויה ויציבה. שימוש פוטנציאלי הוא מחשוב קצה (Edge Computing) [6] – חישובי AI שיכולים להתבצע, למשל, על שעון, צמיד חכם או חיישן רפואי.

קבוצות חוקרים ברחבי העולם, וגם במעבדה שבטכניון, חוקרות דרכים חדשות לשפר את יעילותם של מעגלים אלו.

דרך אגב, מה דעתכם על סרטון הפוסט, שפיתחנו בעזרת קלוד? ובאילו מקרים השהיות דווקא מסייעות לכם בחיים?

עריכה: סמדר רבן

מקורות והרחבות

1. אתר קבוצת המחקר Advanced Memory and Systems Group) - AMSG) בטכניון
2. מאמר סקירה על שיטות חישוב בממד הזמן (Time-Domain Computing) עבור מאיצי בינה מלאכותית (IEEE).
3. ספר מקיף של הנצלר (2010) על טכנולוגיית ממירי זמן לדיגיטל (TDC).פוסט על בסיסי ספירה
4. סקירה מורחבת על טכנולוגיית חישוב בתוך הזיכרון (Compute-in-Memory) וצמצום בזבוז האנרגיה בחומרה מודרנית.
5. edge-computing