Methods and design for analog computing architectures

Efficiënter informatie versturen over het internet met memristors

Het internet is sterk afhankelijk van pakketprocessors voor het tot stand brengen van communicatieverbindingen tussen verzenders en ontvangers van netwerkverkeer. Ondanks hun veelbelovende prestaties verbruikt de huidige generatie pakketprocessors enorm veel energie en biedt maar beperkte ondersteuning voor expressievere functies zoals op het menselijk brein geïnspireerde cognitieve computermodellen. De belangrijkste oorzaak hiervoor is de op transistors gebaseerde technologie, die met digitale berekeningen werkt en veel energie verbruikt voor het verplaatsen van data tussen de opslag- en rekeneenheden van deze componenten. In zijn onderzoek laat Saad Saleh zien dat opkomende technologieën uit het analoge domein, met name memristors, enorme potentie bieden om de energie-efficiëntie en ondersteuning van cognitieve functies van pakketprocessors te verbeteren.

Saleh stelt een analoge architectuur voor pakketprocessors voor die energie-efficiënte en cognitieve functies in computernetwerken ondersteunt. Fundamenteel voor dit ontwerp is een nieuwe analoge geheugenabstractie genaamd Probabilistic Content Addressable Memory (pCAM). Deze biedt zowel digitale als analoge uitvoer, wat expressievere functies in pakketprocessors mogelijk maakt. Voor ondersteuning van traditionele digitale operaties introduceert Saleh een nieuw op memristors gebaseerd type TCAM geheugen. Voortbouwend op analoge berekeningen stelt hij verder een mechanisme voor congestiebeheer voor, genaamd derivative-based active queue management (dAQM), waarmee netwerkverkeer beter beheerd kan worden.

Saleh analyseerde de prestaties van de voorgestelde analoge architectuur op basis van een fysiek gefabriceerde in niobium gedoopte SrTiO3 memristorchip. De resultaten laten zien dat analoge verwerking tot 50 keer minder energie verbruikt dan digitale verwerking. Ook zijn de prestaties van de analoge dAQM-functie tot 39,7% beter dan de meest geavanceerde algoritmes.

Saad Saleh voerde zijn onderzoek uit bij het Bernoulli Institute for Mathematics, Computer Science and Artificial Intelligence, afdeling Distributed Systems. Hij vervolgt zijn loopbaan als researcher bij IMEC.

Proefschrift: https://hdl.handle.net/11370/ad302a85-b3dd-4589-9de7-5506aa2f7110