ثبت اختراع تراشه منطق سه‌حالتی توسط هواوی؛ نشانه‌ای از تغییر بزرگ در پارادایم محاسبات دودویی

خلاصه مطلب این است: هواوی یک تراشه منطق «سه‌حالتی» را به ثبت رسانده و جزئیات آن را منتشر کرده است؛ پردازنده‌ای که به جای دو حالت سنتی دودویی، با استفاده از سه حالت محاسبات را انجام می‌دهد. این غول فناوری چینی ادعا می‌کند با فراتر رفتن از صفر و یک‌هایی که ۸۰ سال است محاسبات را تعریف کرده‌اند، می‌تواند مصرف انرژی را تا ۶۰٪ و تعداد ترانزیستورها را تا ۴۰٪ کاهش دهد.[1]

اما پیش از اعلام مرگ محاسبات دودویی، تفکیک طرح معماری از واقعیت سیلیکونی بسیار حیاتی است. آنچه هواوی تولید کرده، یک ثبت اختراع جامع و چارچوب فنی است، نه یک پردازنده تجاری آماده عرضه. این اعلامیه نشان‌دهنده یک هدف است و نشان می‌دهد چگونه شرکت‌هایی که از پیشرفته‌ترین مراحل تولید سنتی محروم شده‌اند، در تلاشند تا قوانین سخت‌افزار را به طور کامل بازنویسی کنند.[4]

برای درک این پیشرفت، باید به سازوکار محاسبات مدرن نگاه کرد. برای دهه‌ها، تراشه‌ها بر منطق دودویی متکی بوده‌اند: یک ترانزیستور یا خاموش است (۰) یا روشن (۱). هر قطعه اطلاعات دیجیتال، از پیام‌های متنی گرفته تا مدل‌های پیچیده هوش مصنوعی، در این دو حالت رمزگذاری می‌شود.[2]

منطق سه‌حالتی حالت سومی را معرفی می‌کند. در طراحی ثبت‌شده هواوی، این سیستم از رویکرد سه‌حالتی متوازن استفاده می‌کند: ۱-، ۰ و ۱+. در سطح سخت‌افزار، این امر از طریق ترانزیستورهای سه‌آستانه‌ای محقق می‌شود که سیگنال‌های ورودی را به لایه‌های ولتاژ خاصی نگاشت می‌کنند؛ به عنوان مثال، ۰ ولت برای حالت ۰، ۱.۶۵ ولت برای ۱+ و ۳.۳ ولت برای ۱-.[1]

این افزودن به ظاهر ساده حالت سوم، چگالی اطلاعات را به شدت افزایش می‌دهد. در یک سیستم دودویی، نمایش عدد اعشاری ۱۲۸ به هشت بیت نیاز دارد. در یک سیستم سه‌حالتی، تنها به پنج «تریت» (trit) نیاز است. از آنجایی که هر گیت منطقی اطلاعات بیشتری را حمل می‌کند، تراشه برای پردازش همان مقدار داده، به مسیرهای فیزیکی کمتری نیاز دارد.[2]

مستندات هواوی ادعا می‌کنند که این معماری به تراشه اجازه می‌دهد با ۴۰٪ ترانزیستور کمتر نسبت به معادل دودویی خود کار کند. ترانزیستورهای کمتر به معنای مسافت فیزیکی کمتر برای انتقال سیگنال‌ها و مقاومت کمتر است، که مستقیماً به ادعای شرکت مبنی بر کاهش ۶۰٪ مصرف انرژی و افزایش ۲۰٪ سرعت پردازش منجر می‌شود.[3]

زمان‌بندی این چرخش معماری تصادفی نیست. ساخت تراشه‌های پیشرفته به سرعت در حال نزدیک شدن به محدودیت‌های فیزیکی است و کوچک کردن بیشتر ترانزیستورها بدون نشت شدید انرژی، دشوارتر می‌شود. علاوه بر این، کنترل‌های صادراتی ایالات متحده دسترسی هواوی به دستگاه‌های لیتوگرافی فرابنفش شدید (EUV) را محدود کرده است؛ ابزارهای حیاتی مورد نیاز برای ساخت تراشه‌های دودویی زیر ۵ نانومتر.[1][4]

هواوی که قادر به اتکا به کوچک‌سازی بی‌رحمانه گره‌ها نیست، به دنبال افزایش بهره‌وری از طریق تغییرات معماری بنیادی است. اگر یک تراشه سه‌حالتی ۷ نانومتری بتواند اطلاعات را به اندازه یک تراشه دودویی ۳ نانومتری کارآمد پردازش کند، گلوگاه تولید اهمیت بسیار کمتری پیدا می‌کند.[2]

هدف اصلی این فناوری، هوش مصنوعی است. آموزش مدل‌های زبان بزرگ به ده‌ها هزار واحد پردازش گرافیکی (GPU) نیاز دارد و مقادیر عظیمی برق مصرف می‌کند. تراشه‌ای که ذاتاً مصرف برق را بیش از نصف کاهش دهد، می‌تواند اقتصاد مراکز داده هوش مصنوعی را به طور اساسی تغییر دهد و امکان آموزش سریع‌تر با کسری از هزینه انرژی را فراهم کند.[1][2]

با این حال، تاریخچه محاسبات سه‌حالتی یک درس عبرت‌آموز ارائه می‌دهد. این مفهوم جدید نیست؛ اتحاد جماهیر شوروی در سال ۱۹۵۸ با موفقیت یک کامپیوتر سه‌حالتی متوازن به نام «ستون» (Setun) ساخت. اگرچه ستون بسیار کارآمد بود، اما در نهایت نتوانست مقیاس‌پذیر شود، زیرا کل اکوسیستم فناوری جهانی – از کامپایلرها گرفته تا برنامه‌های نرم‌افزاری – در حال استانداردسازی بر روی دودویی بود.[3][4]

این اصلی‌ترین ابهام پیرامون ثبت اختراع هواوی است. ساخت یک تراشه سه‌حالتی تنها گام اول است. برای مفید بودن آن، کل پشته محاسباتی (Computing Stack) باید بازنویسی شود. گیت‌های منطقی، جمع‌کننده‌ها، کنترل‌کننده‌های حافظه و سیستم‌های عامل همگی باید برای مدیریت سه حالت به جای دو حالت، دوباره طراحی شوند.

با توجه به کنترل هواوی بر سیستم عامل اختصاصی خود یعنی HarmonyOS و پشته نرم‌افزاری هوش مصنوعی Ascend، این شرکت در موقعیت منحصر به فردی برای تلاش در این زمینه قرار دارد. اما پر کردن شکاف بین یک مفهوم سخت‌افزاری ثبت‌شده و یک اکوسیستم کاملاً عملیاتی و تجاری، نیازمند سال‌ها توسعه و سرمایه‌گذاری هنگفت است. تا زمانی که معیارهای مستقل از سیلیکون سه‌حالتی فیزیکی در دسترس قرار نگیرد، پارادایم دودویی همچنان با اطمینان بر تخت خود باقی خواهد ماند.[3]