Posibles aplicaciones de ordenadores dedicados en sistemas complejos, emulación cuántica e inteligencia artificial

En el marco de la red de investigación “DEDOSS. Exploración de ordenadores dedicados para escenarios científicos abiertos”, se ha celebrado este workshop en la Escuela Politécnica de Cáceres, durante los días 17 y 18 de junio de 2024 con la participación de investigadores de la Universidad de Extremadura, Universidad Complutense de Madrid, Centro de Supercomputación de Galicia, Kampal Data Solutions, Universidad de Sevilla / IMSE y Universidad de Zaragoza.

Se han realizado una serie de presentaciones que muestran algunos de los problemas que actual o potencialmente pueden ser resueltos mediante ordenadores dedicados en los campos de los sistemas complejos, la emulación cuántica y la inteligencia artificial, y que han servido de base para las posteriores reuniones de trabajo que han tenido lugar. Específicamente se han tratado los siguientes temas:

• Introducción a los vidrios de espín y algoritmos involucrados (Juan Jesús Ruiz Lorenzo UEX)
• Implementación de los vidrios de espín en FPGA (Antonio Gordillo UEX)
• Quantum computing/annealing. Emuladores cuánticos (Guillermo Díaz, J. C. Mouriño, CESGA)
• Representación de vidrios de espín cuánticos cuánticos como modelos de Edwards-Anderson o similares mediante formalismo de Trotter, para implementación en hardware dedicado (Víctor Martín Mayor, UCM)
• Restricted Boltzmann Machines y su representación como sistemas de espines (o similares) para implementación en hardware dedicado (David Yllanes, Kampal Data Solutions).
• Nuevas FPGA híbridas (AMD VCK5000 Versal, AMD Alveo V70…). Uso para Inteligencia Artificial (Antonio Gordillo, UEX)

La utilización de ordenadores diseñados de forma específica para una tarea concreta puede incrementar en varios órdenes de magnitud tanto la velocidad de cálculo como la eficiencia energética de un sistema de cómputo, pero esto requiere un importante trabajo tanto de diseño de la propia máquina como de programación y optimización. En este workshop se han abordado estas cuestiones y se han identificado actividades concretas que serían necesarias para contar en el futuro con un ordenador dedicado que sea capaz de competir y superar a los superordenadores convencionales en las citadas disciplinas.

Los ordenadores dedicados de la serie Janus (https://www.janus-computer.com/) ya mejoraron en su momento la eficiencia de los superordenadores convencionales en varios órdenes de magnitud para el problema de los vidrios de espín, paradigma de los sistemas complejos, pero ahora requerirían una actualización para seguir siendo competitivos. Según se ha analizado en el workshop, esto pasaría por la utilización de las versiones más modernas de los chips de lógica programable FPGA y la correspondiente actualización del código para un uso óptimo del silicio de dichos chips.

En el workshop se ha analizado también la forma de diseñar quantum annealers basados en este tipo de ordenadores dedicados que puedan competir tanto con emuladores de software como con otros “quantum-inspired annealers” existentes en el mercado.

Respecto a la posibilidad de utilizar este tipo de sistemas para acelerar procesos de inteligencia artificial (IA), se han estudiado dos vías principales. Por un lado, la opción de programar de forma dirigida los nuevos tipos de FPGA híbridas orientados a inteligencia artificial, que cuentan con una parte vectorial similar a las GPU y otra parte de lógica programable similar a las FPGA clásicas. Por otro lado, la identificación de problemas de IA que puedan ser abordables mediante un tipo especial de redes neuronales, las máquinas de Botzmann restringidas, que pueden ser implementadas en ordenadores dedicados y tienen un elevado potencial en el campo de la IA generativa.

En el marco de estas reuniones, han surgido también otras ideas sumamente interesantes, como la posibilidad de diseñar un generador de números aleatorios de altísima calidad y frecuencia combinando generadores pseudoaleatorios con fuentes físicas de aleatoriedad. Durante este año 2024 y el inicio de 2025 se realizarán reuniones y seminarios con el objetivo de avanzar en el diseño de un ordeandor dedicado que impulse las investigaciones en sistemas complejos, emulación cuántica e inteligencia artificial.