Un transistor, concebido en términos digitales, tiene dos estados: encendido y apagado, que puede representar los 1 y 0 de la aritmética binaria.
Pero en términos analógicos, el transistor tiene un número infinito de estados, que podrían, en principio, representar un rango infinito de valores matemáticos. La computación digital, por todas sus ventajas, deja la mayor parte de la capacidad informativa de los transistores en la mesa.
En los últimos años, las computadoras analógicas han demostrado ser mucho más eficientes en la simulación de sistemas biológicos que las computadoras digitales. Pero las computadoras analógicas existentes deben programarse a mano, un proceso complejo que requeriría mucho tiempo para simulaciones a gran escala.
La semana pasada, en la conferencia de la Association for Computing Machinery sobre diseño e implementación del lenguaje de programación, los investigadores del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT y el Dartmouth College presentaron un nuevo compilador para computadoras analógicas, un programa que se traduce entre instrucciones de alto nivel escritas enun lenguaje inteligible para los humanos y las especificaciones de bajo nivel de las conexiones de circuito en una computadora analógica.
El trabajo podría ayudar a allanar el camino a simulaciones analógicas altamente eficientes y altamente precisas de órganos completos, si no organismos.
"En algún momento, me cansé de la vieja plataforma de hardware digital", dice Martin Rinard, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación del MIT y coautor del artículo que describe el nuevo compilador ". La plataforma de hardware digitalha sido muy optimizado para el conjunto actual de aplicaciones. Quiero salir y cambiar fundamentalmente las cosas y ver dónde puedo llegar ".
La primera autora del artículo es Sara Achour, una estudiante graduada en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, asesorada por Rinard. A ellos se unen Rahul Sarpeshkar, el profesor Thomas E. Kurtz y profesor de ingeniería, física y microbiología yinmunología en Dartmouth.
Sarpeshkar, ex profesor del MIT y actualmente científico visitante en el Laboratorio de Investigación de Electrónica, ha estudiado durante mucho tiempo el uso de circuitos analógicos para simular células. "Me encontré con Rahul en una fiesta y me contó sobre esta plataformaél tenía ", dice Rinard." Y parecía una nueva plataforma muy emocionante ".
Continuidades
El compilador de los investigadores toma como ecuaciones diferenciales de entrada, que los biólogos usan con frecuencia para describir la dinámica de las células, y las traduce en voltajes y flujos de corriente a través de un chip analógico. En principio, funciona con cualquier dispositivo analógico programable para el que tenga un detalladoespecificación técnica, pero en sus experimentos, los investigadores utilizaron las especificaciones para un chip analógico que desarrolló Sarpeshkar.
Los investigadores probaron su compilador en cinco conjuntos de ecuaciones diferenciales comúnmente utilizadas en la investigación biológica. En el conjunto de prueba más simple, con solo cuatro ecuaciones, el compilador tardó menos de un minuto en producir una implementación analógica; la más complicada, con 75ecuaciones diferenciales, tomó cerca de una hora. Pero diseñar una implementación a mano habría tomado mucho más tiempo.
Las ecuaciones diferenciales son ecuaciones que incluyen funciones matemáticas y sus derivados, que describen la velocidad a la que cambian los valores de salida de la función. Como tal, las ecuaciones diferenciales son ideales para describir reacciones químicas en la célula, ya que la velocidad a la que dos productos químicosreaccionar es una función de sus concentraciones.
De acuerdo con las leyes de la física, los voltajes y las corrientes a través de un circuito analógico deben equilibrarse. Si esos voltajes y corrientes codifican variables en un conjunto de ecuaciones diferenciales, al variar uno automáticamente variarán los otros. Si las ecuaciones describen cambiosen la concentración química a lo largo del tiempo, luego variar las entradas a lo largo del tiempo produce una solución completa para el conjunto completo de ecuaciones.
En contraste, un circuito digital necesita dividir el tiempo en miles o incluso millones de pequeños intervalos y resolver el conjunto completo de ecuaciones para cada uno de ellos. Y cada transistor en el circuito puede representar solo uno de dos valores, en lugar de unrango de valores continuo ". Con unos pocos transistores, los circuitos analógicos citomórficos pueden resolver ecuaciones diferenciales complicadas, incluidos los efectos del ruido, que requerirían millones de transistores digitales y millones de ciclos de reloj digital", dice Sarpeshkar.
Mapmaking
A partir de la especificación de un circuito, el compilador de los investigadores determina qué operaciones computacionales básicas están disponibles para él; el chip de Sarpeshkar incluye circuitos que ya están optimizados para tipos de ecuaciones diferenciales que se repiten con frecuencia en modelos de células.
El compilador incluye un motor algebraico que puede rediseñar una ecuación de entrada en términos que facilitan la compilación. Para tomar un ejemplo simple, las expresiones a x + y y ax + ay son algebraicamente equivalentes, pero uno podría probar muchomás sencillo que el otro para representar dentro de un diseño de circuito particular.
Una vez que tiene una prometedora redescripción algebraica de un conjunto de ecuaciones diferenciales, el compilador comienza a mapear elementos de las ecuaciones en elementos de circuito. A veces, cuando trata de construir circuitos que resuelven múltiples ecuaciones simultáneamente, se encontrará con inconvenientes y necesitarápara retroceder y probar asignaciones alternativas.
Pero en los experimentos de los investigadores, el compilador tardó entre 14 y 40 segundos por ecuación para producir mapeos viables, lo que sugiere que no se está obsesionando con las hipótesis infructuosas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Larry Hardesty. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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