Революційні методи штучного інтелекту для оптимізації електронних схем майбутнього

У сучасному світі електронних технологій дослідники постійно шукають інноваційні рішення для подолання обмежень класичної електроніки. Команда науковців з Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича здійснила проривне дослідження в галузі синтезу зворотних електронних схем, використовуючи методи штучного інтелекту.

Основна проблема сучасної електроніки полягає в неухильному зменшенні розмірів транзисторів, яке наближається до фізичних меж. Закон Мура, що описував подвоєння потужності мікросхем кожні два роки, сьогодні стикається з серйозними обмеженнями. Зменшення розмірів транзисторів до атомного масштабу викликає критичні явища: струмові витоки, підвищення теплового шуму та погіршення функціональності електронних пристроїв.

Вчені запропонували революційний підхід — використання зворотної логіки в схемотехніці. На відміну від традиційних необоротних логічних схем, зворотні схеми дозволяють виконувати операції без втрати інформації та енергії. Це особливо важливо для майбутніх квантових та надмалопотужних електронних пристроїв.

Дослідження базується на двох потужних еволюційних алгоритмах штучного інтелекту: генетичному алгоритмі (ГА) та алгоритмі оптимізації мурашиної колонії (АМК). Кожен з цих методів має унікальні переваги у вирішенні складних оптимізаційних завдань.

Генетичний алгоритм, розроблений науковцями, використовує принципи біологічної еволюції. Дослідники створили унікальну матричну модель кодування хромосом, яка дозволяє ефективно представляти та модифікувати електронні схеми. Особливістю алгоритму є багатокомпонентна мутація та використання методу пошуку Табу для уникнення потрапляння в локальні оптимуми.

Алгоритм мурашиної колонії імітує поведінку мурах при пошуку найкоротшого шляху. У контексті синтезу електронних схем «мурахи» шукають оптимальну топологію з мінімальними енерговитратами та максимальною ефективністю. Науковці вдосконалили класичний АМК, розширивши його можливості для роботи з різними типами логічних вентилів.

Експериментальна перевірка запропонованих методів проводилася на прикладі однобітового суматора — базового елементу цифрових схем. Результати показали, що синтезовані схеми мають кращі характеристики порівняно з наявними аналогами: менша апаратна складність, нижча квантова вартість та менша глибина схеми.

Важливою особливістю дослідження є його верифікація в лабораторії квантових обчислень IBM за допомогою фреймворку Qiskit. Це підтверджує високу теоретичну та практичну цінність отриманих результатів.

Розроблені алгоритми мають широке застосування. Вони можуть бути використані не лише в класичній та квантовій електроніці, але й у таких галузях як криптографія, біоінформатика, оптичні обчислення.

Автори дослідження — Тарас Кирилюк, Михайло Палагута та Віталій Дейбук — продемонстрували, що українська наукова школа здатна генерувати передові технологічні рішення світового рівня.