原型計算機利用噪聲發揮優勢

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NORMAL COMPUTING

一種全新的計算正規化 —— 熱力學計算 —— 已悄然登場。好吧，或許這只是機率計算的新名稱而已。二者均藉助噪聲（如熱漲落產生的噪聲）而非費力消除噪聲來執行計算。不過，這終究是一種全新的物理實現路徑。

機率計算領域初創企業Ludwig Computing公司，以科學家Ludwig Boltzmann（熱力學領域的奠基人）命名。該公司的首席技術官兼創始人Behtash Behin-Aein表示：“若論計算正規化，它與機率計算並無二致。” 但他補充道：“這是一種全新的實現方式。”

總部位於紐約的初創企業Normal Computing公司近期在《自然・通訊》（Nature Communications）上發表的一篇論文中，詳細介紹了其首款熱力學計算機原型機（https://www.nature.com/articles/s41467-025-59011-x）。實驗表明，該原型機能夠利用噪聲實現矩陣求逆運算，還展示了作為部分人工智慧應用基礎的高斯取樣功能。

噪聲如何助力某些計算問題

傳統意義上，噪聲是計算的 “天敵”。然而，某些應用場景實則依賴人工生成的噪聲，而利用自然存在的噪聲往往能大幅提升效率。

Normal Computing公司的矽工程負責人Zachery Belateche表示：“我們專注於開發能夠利用噪聲、隨機性和非確定性的演算法。事實證明，這類演算法的應用空間極為廣闊，從科學計算、人工智慧到線性代數，不一而足。不過，熱力學計算機短期內還無法幫你查收電子郵件。”

對於這些應用場景，熱力學（或機率）計算機的元件初始狀態呈半隨機狀態。隨後，使用者試圖解決的問題會被程式設計為元件間的互動規則。隨著時間推移，這些互動作用會使元件逐漸達到平衡狀態，而這一平衡狀態正是計算問題的解。

這種方法天然適用於某些本身包含隨機性的科學計算應用，例如蒙特卡洛模擬。它也非常適合人工智慧影像生成演算法（如穩定擴散演算法）以及一種被稱為機率人工智慧的技術。令人意外的是，它似乎還適用於某些本質上非機率性的線性代數計算，這使得該方法能更廣泛地應用於人工智慧訓練。

Ludwig Computing公司執行長兼聯合創始人Mohammad C. Bozchalui表示：“如今我們看到人工智慧領域正在使用CPU和GPU的計算正規化，但人們之所以採用它，只是因為沒有其他選擇。這就好比我發現了一座金礦，想進行挖掘 —— 我是隻有一把鐵鍬，還是有一臺推土機？如果只有鐵鍬，那就只能用鐵鍬挖。而我們想說的是，這是一個需要不同工具的全新世界。”

Normal Computing公司的方法

Normal Computing公司的原型晶片被稱為隨機處理單元（Stochastic Processing Unit, SPU），由八個電容 – 電感諧振器和隨機噪聲發生器組成。每個諧振器透過可調耦合器與其他諧振器相連。諧振器以隨機生成的噪聲初始化，待研究的問題則透過耦合引數進行程式設計。當系統達到平衡狀態後，讀取諧振器單元即可獲得計算結果。

Normal Computing公司的資深研究科學家Gavin Crooks表示：“在傳統晶片中，一切都處於高度可控狀態。只要稍微鬆開控制，器件就會自然呈現出更強的隨機性。”

儘管這是一次成功的概念驗證，但該公司團隊承認，這款原型晶片尚不具備可擴充套件性。不過他們已改進了設計，去掉了難以規模化整合的電感器。目前，團隊計劃透過計算機模擬而非印刷電路板來設計下一代晶片，並預計其將於今年晚些時候問世。

這項技術能實現多大規模的擴充套件仍有待觀察。儘管其設計與互補金氧半導體（CMOS）相容，但在用於解決大規模實際問題之前，還有許多問題需要解決。Ludwig Computing公司的Bozchalui表示：“他們目前的成果令人驚歎。但與此同時，要將其從現有狀態真正轉化為商用產品，並實現可用於實際規模的應用，還有大量工作需要完成。”

不同的願景

儘管機率計算與熱力學計算本質上屬於同一正規化，但二者存在 “文化差異”。從事機率計算研究的企業和研究人員，其學術淵源幾乎均追溯至普渡大學Supryo Datta的研究團隊。然而，Normal Computing公司的三位聯合創始人與普渡大學並無關聯，他們均來自量子計算領域背景。

這使得Normal Computing的聯合創始人持有略有不同的願景。他們設想這樣一個世界：不同型別的物理原理被用於各自的計算硬體，每個待解決的問題都能匹配到最優的硬體實現方式。

Normal Computing公司的Belateche在提及專用積體電路（ASIC）時表示：“我們創造了‘基於物理原理的專用積體電路’這一術語。” 在他們的願景中，未來的計算機不僅包含傳統的CPU和GPU，還將配備量子計算晶片、熱力學計算晶片，以及人們可能構想的任何其他計算正規化的晶片。每項計算任務都將被髮送至最適合處理該問題物理原理的專用積體電路。