Шумовая логика - Noise-based logic
Шумовая логика ( NBL ) - это класс многозначных детерминированных логических схем, разработанный в двадцать первом веке, в которых логические значения и биты представлены различными реализациями случайного процесса . Концепция логики на основе шума и ее название были созданы Ласло Б. Кишом . В его фундаментальной статье отмечается, что идея была вдохновлена стохастичностью сигналов мозга и нетрадиционными схемами коммуникации, основанными на шумах, такими как шифр Киша .
Шумовое логическое пространство и гиперпространство
Логические значения представлены многомерными « векторами » ( ортогональными функциями ) и их суперпозицией , где ортогональные базисные векторы являются независимыми шумами. Посредством правильной комбинации (произведения или теоретико-множественные произведения ) базовых шумов, которые называются шумовыми битами , можно построить логическое гиперпространство с числом измерений D ( N ) = 2 N , где N - количество шумов. биты. Таким образом, N шумовых битов в одном проводе соответствуют системе из 2 N классических битов, которые могут выражать 2 2 N различных логических значений. Независимые реализации стохастического процесса с нулевым средним имеют нулевую взаимную корреляцию друг с другом и с другими случайными процессами с нулевым средним. Таким образом, векторы базового шума ортогональны не только друг другу, но и все логические состояния (суперпозиции) на основе шума ортогональны также любым фоновым шумам в оборудовании. Следовательно, концепция логики, основанной на шумах, устойчива к фоновым шумам, что потенциально может обеспечить высокую энергоэффективность.
Типы сигналов, используемых в шумовой логике
В статье, где впервые была представлена логика, основанная на шумах, были предложены общие стохастические процессы с нулевым средним, а также была предложена система ортогональных синусоидальных сигналов в качестве версии логической системы с детерминированными сигналами. Математический анализ статистических ошибок и энергии сигнала был ограничен случаями гауссовских шумов и суперпозиций как логических сигналов в основном логическом пространстве и их продуктов, а также суперпозиций их продуктов в логическом гиперпространстве (см. Также. В последующей логической схеме мозга, логические сигналы представляли собой (аналогично нейронным сигналам) униполярные спайковые последовательности, генерируемые пуассоновским процессом , и теоретико-множественные объединения (суперпозиции) и пересечения (продукты) различных спайковых последовательностей. Позже, в мгновенных логических схемах на основе шума и вычислительных работах случайные телеграфные волны (периодическое время, биполярные, с фиксированным абсолютным значением амплитуды) также использовались как один из простейших стохастических процессов, доступных для NBL. При выборе единичной амплитуды и симметричных вероятностей полученная случайная телеграфная волна имеет 0,5 вероятности быть в состоянии +1 или -1, которое сохраняется в течение всего периода времени.
Шумовые логические вентили
Логические вентили на основе шума можно классифицировать в соответствии с методом, которым вход идентифицирует логическое значение на входе. Первые ворота проанализировали статистические корреляции между входным сигналом и эталонными шумами. Их преимущество - устойчивость к фоновому шуму. Недостаток - низкая скорость и большая сложность оборудования. Логические вентили мгновенного действия работают быстро, имеют низкую сложность, но они не устойчивы к фоновым шумам. С сигналами типа нейронных пиков или с биполярными случайными телеграфными волнами с единичной абсолютной амплитудой и случайностью только знака амплитуды можно получить очень простые мгновенные логические вентили. Тогда линейные или аналоговые устройства не нужны, и схема может работать в цифровой области. Однако всякий раз, когда мгновенная логика должна быть связана с классическими логическими схемами, интерфейс должен использовать логические вентили на основе коррелятора для безошибочного сигнала.
Универсальность логики на основе шума
Все перечисленные выше логические схемы на основе шума зарекомендовали себя универсальными. В документах обычно используются элементы НЕ и И, чтобы доказать универсальность, потому что наличие того и другого является удовлетворительным условием универсальности булевой логики .
Расчет по шумовой логике
Проверка строки по медленному каналу связи демонстрирует мощное вычислительное приложение, в котором методы по сути основаны на вычислении хэш-функции . Схема основана на случайных телеграфных волнах, и в статье упоминается, что авторы интуитивно приходят к выводу, что интеллект мозга использует аналогичные операции для принятия достаточно хорошего решения на основе ограниченного количества информации. Суперпозиция первых D ( N ) = 2 N целых чисел может быть произведена с помощью всего 2 N операций, которые авторы в статье называют «операцией на ахилловом голеностопе».
Реализация логики на основе шума на компьютерном чипе
Уже опубликованы предварительные схемы использования логики на основе шума в практических компьютерах. Тем не менее, из этих статей очевидно, что этой молодой области еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем ее можно будет увидеть в повседневных приложениях.