Moore yasası fiziksel sınırlara ulaşıyor ve dijital bilgisayarlar çok kaynak tüketiyor. Büyük yapay zeka modellerinin geliştirildiği çağımızda bu sorunların çözülmesi elzem. Peki ya çözüm geçmişte olabilir mi?
Yazar: Tan Siret AKINCI
Dijital ve analog cihazların farkı
Dijital cihazlar, ayrık elektrik sinyallerini teker teker işler. 1 (açık) ya da 0 (kapalı) olarak temsil edilebilen bu ikili ayrık sinyallerin her biri cihaz tarafında 1 bit olarak temsil edilir. Dünya analogdur ve dijital cihazlar, dış dünya ile iletişime geçmek için doğada sürekli değişim halinde olan ham verileri (görüntü, ses, hız) kademeli şekilde ikili sistemde temsil edilmek üzere dijital veriye çevirir.
Analog cihazlarda ise ikili veri kısıtlaması bulunmaz, çünkü analog cihazlar doğuştan analog olan doğal değişkenler ile doğrudan çalışabilmektedir. Doğal değişkenler (adı üstünde) her daim değişim halinde olduğu, sınırsıza yakın değer aralığında bulundukları için analog cihazlar dijital muadillerine kıyasla kusurlu olmak kaydıyla çok büyük veri aralığı içeren varlıkları çok daha hızlı işleyebilmektedir. Bu sebeple analog bilgisayarlar, diferansiyel denklemler gibi sınırsıza yakın sonuca sahip süreklilik problemlerinin çözümünde dijital cihazlardan daha beceriklidirler.¹
Analog bilgisayarlar, dijital olanlardan önce ortaya çıkmıştır. Dünyanın ilk mekanik bilgisayarının antik Yunanlılar tarafından binlerce yıl önce astronomik hesaplamalar için icat edilen, analog prensiplerle çalışan Antikitera düzeneği olduğu varsayılıyor.¹ Öte yandan Charles Babbage’ın 1837'de tasarladığı, girdi olarak delikli kart kabul eden Analitik makine isimli bilgisayarı girilen verileri teker teker okuyup ayrık usulde ikili sistemde işlemesi sebebiyle ilk dijital bilgisayar olarak varsayılmaktadır.
Çeşitli mekanik ve elektronik analog bilgisayarlar, simülasyon ve hesaplama amaçlarıyla Birinci ve İkinci Dünya Savaşları’nda geliştirilip kullanılmıştır. 1930'larda ABD savunma sanayisinin roket fırlatma ivmesi hesabı gibi zor hesaplamalar için geliştirdiği analog bilgisayarlar, 1970'lere kadar aktif görevlerde kullanıldı. 1972'de ilk mikroişlemci Intel 4004'ün çıkması ve dijital işlemcilerin dönemin analog cihazlarıyla benzer hıza gelmesi sebebiyle analog rafa kaldırılmış olsa da çoğu modern bilgisayar hala geçmişin büyük analog bilgisayarının sürekli formüllerdeki hızına erişememiştir.²
Analog geri mi dönüyor?
Entegre devrelerin her iki yılda bir 2 kat küçüleceğini öngören Moore yasasının fiziki sınırlara yaklaşıyor olması, mevcut süperbilgisayarların işlem gücü gereksinimlerinin özellikle LLM (Large Language Model yani Geniş Dil Modeli) tipi yapay zeka modellerinin geliştirilmesiyle aşırı yüksek seviyelere gelmesi, dolayısıyla enerji gereksinimlerinin artması ve ısı gibi fiziki sebeplerle performansın düşmesi sebeplerinden ötürü hem analog, hem dijital bileşenlere sahip hibrit bilgisayarlar gündemde.¹
Analog ve dijital cihazların belirli alanlardaki hayati önem arz eden avantajlarından ötürü, çeşitli firma ve akademik kurumlar hem analog, hem dijital parçalar içeren özel kullanım hibrit bilgisayarlar geliştiriyor. Hibrit bilgisayarlar, yapay zeka modelleri ve simülasyonlarda bolca kullanılan diferansiyeller gibi kompleks matematik problemlerinin çözümünü analog parçalarla yaparken girdi çıktı işlevleri ile kesinlik gerektiren veri işleme görevlerini dijital bileşenlerle hallediyor.
2015'de Columbia Üniversitesi’ndeki bir grup araştırmacı, yayınladıkları akademik bir makalede VLSI (Very Large Scale Integration yani Çok Geniş Ölçekli Tümleşim, basitçe binlerce transistörün yarı otomatik şekilde tek yongaya sıkıştırılması) yöntemiyle tasarlanan, HCDC yani Hybrid Continuous Discrete Computer (Hibrit Sürekli-Ayrık Bilgisayar) ismini verdikleri ilk analog-dijital hibrit yongayı tanıttı.³ Yapay zeka alanında kullanılması planlanan yonga için MIT’den bir yazılımcı tarafından programlanma sürecini kolaylaştırmak için Python sözdizimli bir derleyici de geliştirildi.¹
Ergenlik çağından beri analog bilgisayarlara ilgi duyan Alman fizikçi Bernd Ulmann, dijital bilgisayarları doğaya aykırı olarak görüyor. Ulmann’a göre dijital bilgisayarlar, yaptıkları işlemleri teker teker yaptıkları için çok enerji tüketiyorlar ve fiziki sınırları var, yani verimsizler. Öte yandan organik insan beyni günlük 1 ampül kadar enerji tüketmesine karşın milyarlarca nöronluk kapasiteye sahip. Bu sebeple Ulmann, Anabrid isimli bir firma kurdu ve 2021'de THAT yani The Analog Thing (Analog Şey) isimli açık kaynaklı deneysel bir hibrit bilgisayar geliştirip piyasaya sundu.⁴
2013 yılında kurulan Mythic isimli başka bir firma, 2021'de M1076 AMP isminde yapay zeka amaçlı analog bir yonga geliştirdiğini duyurdu.⁵ Firma, yonganın yalnızca 3 watt ile 35 TOPS (35 Trillions of Operations Per Second yani Saniye Başı 35 Trilyon İşlem) performansına sahip olduğunu iddia etti. Her watt başına yaklaşık 10 küsür TOPS performansı Mythic AMP’i en verimli yapay zeka yongalarından biri yapıyor. Mythic şu anda M2000 isimli daha verimli ve doğrudan kullanıma hazır bir yonga üzerinde çalışıyor.⁶
Analog ve hibrit bilgisayar teknolojisine dev firmalar da ilgi gösteriyor. IBM, geleneksel GPU’lardan 14 kat daha verimli çalışabilecek analog bir yapay zeka yonga tasarımını geçen yıl Nature dergisinde paylaştı.⁷ IBM’e göre, sinir hücre ağlarından esinlenilerek geliştirilen üretken yapay zeka modelleri, işleme ve hafıza kısımları birbirinden bağımsız olan dijital mimarilerde verimsiz çalışıyor. IBM’in yongası bu sorunu AIMC (analog in-memory computing yani analog hafıza-içi bilgi işlemi) ismini verdiği, aşamalı hafıza hücrelerinde hem analog veriyi tutan hem de aynı anda işlem gerçekleştiren bir yöntem ile çözmeyi hedefliyor.⁸
Hibrit bilgisayarların tek üstünlük sağlayacağı sektör yapay zeka donanımı değil. Ses ve görüntü gibi birçok çevresel faktörü tarayan sensörlerin çoğu zaman 7/24 çalışması gerekiyor. Bu, gün içinde zilyonlarca verinin işlenmesi, dolayısıyla çok fazla enerji harcanması demek. 2022 yılında Aspinity isimli yonga firması, bu sorunu çözmesi için AML100 isimli bir analog sensör yongası tasarladığını duyurdu. AML100, ham yani analog olarak alınan ses ve görüntü verisini dijitale çevirmeden doğrudan işleyerek işlem gücünden ve enerjiden ciddi miktarda tasarruf ediyor.⁷
Analog bilgisayarlar geri mi dönüyor? Evet, ancak dijital bilgisayarlar hiçbir yere gitmiyor. Makalede bahsettiğim teknolojilerin hepsi doğrudan veya dolaylı olarak dijital bilgisayarlara bağlı çalışıyor. Analog ve dijital bileşenlere sahip hibrit bilgisayarlar, başta büyük yapay zeka modelleri olmak üzere yoğun işlemci gücü gerektiren yazılımların daha verimli çalışmasını sağlayacak.
Yazar: Tan Siret AKINCI
Ayrıca bakınız
- Veritasium YouTube kanalının Analog Bilgisayarcılık konulu videosu (İngilizce)
Kaynaklar
1 — Charles Platt. “The Unbelievable Zombie Comeback of Analog Computing”. wired.com
2 — Sean Gallagher. “Gears of war: When mechanical analog computers ruled the waves”. arstechnica.com
3 — Guo Ning, Huang Yipeng, Mai Tao, Patil S., Cao Chi, Seok Mingoo, Sethumadhavan S., Tsividis Y. (1 Eylül 2015). “Continuous-time hybrid computation with programmable nonlinearities”. ESSCIRC Conference 2015–41st European Solid-State Circuits Conference (ESSCIRC). sayfa. 279–282. doi:10.1109/ESSCIRC.2015.7313881. ISBN 978–1–4673–7470–5. S2CID 16523767.
4 — SPRIN-D. ”A square millimeter of future:
The analog computer on a chip”. sprind.org
5 — Karl Freund. ”Mythic Launches Industry First Analog AI Chip”. forbes.com
6 — Kyle Wiggers. ”AI chip startup Mythic rises from the ashes with $13M, new CEO”. techcrunch.com
7 — Kristin Houser. “Analog computing is undergoing a resurgence”. freethink.com
8— Dan Robinson. “IBM describes analog AI chip that might displace power-hungry GPUs”. theregister.com
