تصميم مضاعفات تقريبية منخفضة الطاقة وعالية السرعة باستخدام ضاغطات 4 إلى 2 في وضع التيار بناءً على تكنولوجيا CNTFET

صور أوضح بطاقة أقل

في كل مرة تلتقط فيها هاتفك صورةً، أو يبث فيديو، أو يطبق فلتر ذكاء اصطناعي، يقوم الجهاز بملايين الضربات الصغيرة. إجراء كل هذه الحسابات بدقة يستهلك طاقة ويبطئ الأداء، بينما غالبًا لا تلتقط العين البشرية أخطاءً عددية صغيرة. تُظهر هذه الورقة كيف يمكن "التساهل" عمدًا مع بعض العمليات الحسابية باستخدام نوع جديد من الدوائر، مما يقلل الطاقة والزمن المستغرق مع الحفاظ على صور تبدو متطابقة بصريًا مع النتائج الدقيقة.

لماذا يمكن للرياضيات غير الكاملة أن تبدو كاملة

العديد من التطبيقات الحديثة—مثل معالجة الصور، الفيديو، والتعلم الآلي—تتسامح بشكل طبيعي مع أخطاء صغيرة. تغيير طفيف في سطوع بكسل واحد، أو إزاحة صغيرة في استجابة مرشح، عادةً لا تُرى لنا. يستفيد المؤلفون من ذلك عبر استخدام مضاعفات تقريبية: دوائر تتنازل عن قدر بسيط من الدقّة الحسابية مقابل وفورات كبيرة في الطاقة، ومساحة الشريحة، والسرعة. يركّزون على مضاعفات 8×8، وهي لبنة شائعة في معالجة الإشارات الرقمية، ويقيمون ليس فقط الخطأ الرقمي بل كيف تؤثر هذه التقريبات فعليًا على جودة الصورة النهائية باستخدام مقاييس معيارية مثل نسبة الإشارة إلى الضوضاء القصوى (PSNR) والتشابه البنيوي المتوسط (MSSIM).

لبنة جديدة لمضاعفات سريعة

في قلب التصميم يوجد مكوّن يُدعى ضاغط 4:2، الذي يقلص أربعة بتات دخل وبت حمل إلى مخرجين، "المجموع" و"الحمل". الضواغط التقليدية تستخدم ترانزستورات CMOS بنمط الجهد أو FinFET، والتي تصبح أصعب في التصغير عند المقاييس الصغيرة جدًا. هذه العملة تجمع بدلاً من ذلك منطق وضع التيار مع ترانزستورات تأثير المجال بالنانوأنابيب الكربون 7 نانومتر (CNTFET). بعرض المعلومات على شكل تيارات بدلًا من الفولطية فقط، يمكن للدوائر جمع التيارات مباشرة دون دوائر اكتشاف عتبة معقدة. تسمح CNTFETs، التي يمكن ضبط جهد العتبة فيها بتغيير قطر النانوأنبوب، للمصممين ببناء بوابات أغلبية، وXOR، وبوابات أساسية أخرى بعدد قليل جدًا من الترانزستورات، مع هوامش ضوضاء عالية وطاقة منخفضة لكل عملية.

ستة أنماط من الضواغط "جيدة بما يكفي"

يقترح المؤلفون ستة تصاميم جديدة لضاغط 4:2. أربعة منها ضواغط تقريبية أحادية النمط، يستكشف كل منها طريقة مختلفة لتبسيط المنطق الداخلي وتقليل الطاقة أو التأخير أو الخطأ. اثنان آخران ضواغطان ثنائيتا الوظيفة يمكنهما التبديل بين السلوك الدقيق والتقريبي باستخدام قطع الطاقة، بحيث يكون جزء واحد فقط من الدائرة نشطًا في كل مرة. عبر هذه الخيارات، يقيسون بعناية مسافة الخطأ (إلى أي مدى يمكن أن ينحرف المخرج عن المثالي)، وعدد المرات التي تظل فيها المخرجات دقيقة، ومدى متانة الدوائر أمام تغيّرات في العملية والفولطية ودرجة الحرارة. بفضل نهج وضع التيار مع CNTFET، تكون الضواغط الجديدة أقل حساسية للتقلبات بنسبة 30–50% مقارنةً بتصاميم CMOS أو FinFET المماثلة، مع استهلاك يقارب 12–25 ميكروواط وتأخيرات داخلية دون نانوثانية.

تصميمان للمضاعفات للصور والذكاء الاصطناعي

باستخدام هذه الضواغط، يبني الفريق مضاعفتين من نوع Dadda بقياس 8×8. النوع الأول يستخدم ضواغط تقريبية في كل عمود، مما يعظم وفورات الطاقة. النوع الثاني يتخذ نهجًا أكثر انتقائية: يستبعد تمامًا أربعة أعمدة المخرجات الأقل أهمية (اقتطاع)، ويستخدم ضواغط تقريبية في الأعمدة الوسطى، ويحافظ على ضواغط دقيقة في الأعمدة الأكثر أهمية حيث قد تكون الأخطاء مرئية بوضوح. تُظهر المحاكاة في HSPICE وMATLAB أنه بالنسبة لأفضل تكوين، ينخفض استهلاك الطاقة إلى حوالي 0.52 mW، والزمن إلى 1.88 ns، ومنتج الطاقة-الزمن إلى 0.97 pJ—تحسينات كبيرة مقارنةً بالمضاعفات التقريبية السابقة.

ماذا يعني هذا للصور الحقيقية

لاختبار ما إذا كانت هذه الوفورات مهمة عمليًا، يشغّل المؤلفون مهام تصوير معيارية مثل ضرب صورتين مرجعيتين (الصورة الكلاسيكية "رجل الكاميرا" و"القمر") وعمليات الشحذ. يقارنون الصور الناتجة بواسطة مضاعفات دقيقة وتصاميمهم التقريبية. على الرغم من أخطاء حسابية داخلية تصل إلى ±2 في بعض الحالات، يحسّن أفضل مضاعف مقترح التشابه البنيوي (MSSIM) من حوالي 60% في التصاميم التقريبية السابقة إلى نحو 97%، ويرفع PSNR بمقدار 15–20%. بصريًا تظل الصور حادة ومفصّلة، بينما تستهلك العتاد أقل بكثير من الطاقة وتعمل بسرعة أكبر، مما يجعل هذا النهج جذابًا للكاميرات منخفضة الطاقة، وأنظمة الرؤية المحمولة، وأجهزة الذكاء الطرفي حيث تهم مدة البطارية والسرعة أكثر من الدقة الحسابية المطلقة.

الاستشهاد: Foroutan, P., Navi, K. Design of low power and high speed approximate multipliers utilizing current mode 4 to 2 compressors based on CNTFET technology. Sci Rep 16, 4834 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35104-5

الكلمات المفتاحية: مضاعفات تقريبية, CNTFET, معالجة الصور, دوائر منخفضة الطاقة, منطق وضع التيار