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O conhecimento científico e o poder de processamento, lado a lado, na procura de soluções

May 29, 2020

digital_annealer

Para a maioria das pessoas, quando ouvem falar em computação quântica, pensam tratar-se de algo do domínio da ficção científica ou algo em que alguns cientistas iluminados, com cabelos grisalhos bem despenteados, estão a trabalhar, nos seus laboratórios ultrassecretos. Acreditam, por terem ouvido falar, que a computação quântica trará um poder de processamento tão superior ao oferecido atualmente, mesmo pelos melhores supercomputadores, que permitirá resolver diversos problemas atuais da humanidade e revolucionar a pesquisa de novos medicamentos e de vacinas para enfrentar as atuais e futuras doenças, evitando novos cenários de pandemia e medo, como o que vivemos atualmente.

Na verdade, a ideia da computação quântica tem, pelo menos, 40 anos de existência (sim!) e a sua implementação prática em verdadeiros computadores quânticos é, hoje, uma realidade, ainda que com capacidades limitadas, mas em permanente evolução. Acredita-se, atualmente, que durante a próxima década seja possível construir um computador quântico capaz de resolver problemas de grande escala.

Entretanto, o que podemos fazer, para além de esperar pela chegada dessa promessa? Será que não existem hoje no mercado soluções que nos permitam endereçar problemas complexos e difíceis ou mesmo impossíveis de resolver com recursos de computação clássica? Há alternativas?

Consciente deste contexto de transição de paradigma, a Fujitsu identificou uma oportunidade para tirar partido das suas competências no desenho de chips e conceber um processador que implementa, em silício, os algoritmos-base da computação quântica. Nascia, em 2018, o Digital Annealer, um processador Quantum Inspired, desenhado para acelerar, de forma radical, a resolução de uma classe particular de problemas matemáticos: large-scale, time-critical optimization problems.

Sem entrar em grandes detalhes técnicos (deixaremos isso para um outro artigo), o Digital Annealer é um processador (e um serviço na nuvem) que implementa o algoritmo de Simulated Annealing e emula os fenómenos de entanglement, superposition e de tunneling, num circuito digital com arquitetura paralela de 8k bits, para resolver os referidos problemas matemáticos, em tempo útil.

Na prática, de que problemas estamos a falar?
A otimização combinatória é, na essência, o processo de obter a(s) solução(ões) ótima(s) para um problema, a partir de um conjunto finito, mas muito extenso, de possibilidades. Apesar de parecer uma definição abstrata, este tipo de problemas é extremamente comum, quer na vida das empresas, quer no dia a dia do cidadão comum.

No contexto atual de pandemia, um dos temas mais falados é o da procura de uma cura ou de uma vacina. Qual o papel da otimização combinatória e do Digital Annealer no domínio da saúde?

A Toray Industries adotou o Digital Annealer para acelerar o processo de triagem da estabilidade das estruturas side-chain das proteínas. Em alguns minutos, o Digital Annealer pode avaliar, de entre 10100 candidatos, quais os que oferecem maior estabilidade e potencial para uma posterior avaliação detalhada. Na sequência deste projeto e do know-how adquirido, a Fujitsu e a Polaris Quantum Biotech criaram uma plataforma, com base no Digital Annealer, para a triagem de moléculas com potencial eficácia na luta contra o vírus da dengue, um dos mais antigos vírus em atividade. O valor acrescentado do uso do Digital Annealer reside na dimensão da amostra testada no mesmo espaço de tempo, com uma vantagem de 10k vezes, ou seja, de dezenas de milhares de candidatos, podem agora ser testados biliões no mesmo espaço de tempo. Esta abordagem ao processo de triagem deverá permitir descobrir novas moléculas, com potencial para serem testadas, e reduzir substancialmente o tempo médio do processo de pesquisa de novos fármacos.

Um outro exemplo que nos afeta a todos, enquanto cidadãos, é a gestão e otimização do tráfego. Este é um enorme desafio para as entidades públicas, com implicações práticas na qualidade do ar e, consequentemente, na saúde e no meio-ambiente, mas também na produtividade e no crescimento económico. Os correios do Japão, em cocriação com a Fujitsu e com o suporte do Digital Annealer, otimizaram o processo de carga e geração das rotas de distribuição do correio e de encomendas num centro de distribuição que serve dezenas de postos de correios. Com a substituição do sistema manual por um sistema automático e otimizado, foi possível maximizar a utilização da capacidade de carga da sua frota (+12%) e minimizar o número de veículos necessários para a distribuição (-7%), cumprindo com as restrições temporais e legais do serviço. O roll-out da solução para todo o país pode significar uma poupança de até 30M USD e o Digital Annealer demora apenas 2s a calcular o plano de carga e a rota de distribuição diários otimizados.

Num outro exemplo, um construtor automóvel europeu otimizou o processo de PVC Seam Sealing, que decorre na fase de pintura (representa 40% dos custos totais de fabrico). Este é um processo robotizado, com diversos robots a operar, em simultâneo, no mesmo veículo. O desafio foi otimizar o processo, desenhando as movimentações dos robots por forma a que fizessem o maior número de soldaduras em simultâneo, assegurando que as movimentações de cada robot não colidem ou interferem com as dos outros. Com o Digital Annealer, o processo foi otimizado para conseguir realizar 64 soldaduras em simultâneo, o que se traduziu na redução de 200 para 70s no tempo total de operação por automóvel e num aumento considerável da cadência de produção. Por comparação, aquele fabricante tinha desafiado um dos players do mercado de computação quântica, que conseguiu atingir apenas 7 soldaduras em simultâneo. A Fujitsu continua a trabalhar neste desafio, com o objetivo de atingir as 90 soldaduras em simultâneo, o que será um marco para a indústria.

Ainda na indústria, mas desta vez na produção de equipamento informático built-to-order, uma outra empresa quis otimizar as ordens de pick-up de componentes, por forma a minimizar a distância percorrida pelos operadores de armazém, na recolha dos diversos componentes necessários à assemblagem do produto final. Ao minimizar a distância percorrida, estamos também a minimizar o tempo e, consequentemente, a aumentar a produtividade. Com o Digital Annealer como suporte, foi possível desenhar uma solução que, mediante uma lista de componentes, gera automaticamente a sequência de recolha que minimiza o tempo e a distância a percorrer. Com esta abordagem, foi possível minimizar a distância média percorrida por um operador em 30% e, numa segunda fase, com a reformulação do layout do armazém, estima-se uma redução de até 45%.

Agora um exemplo no setor dos serviços financeiros. O banco Natwest utiliza o Digital Annealer para otimizar a composição do seu portfólio de High Quality Liquid Assets (HQLAs). A adoção do Digital Annealer permitiu acelerar o processo de otimização da composição do portfólio em 300 vezes, o que permite realizá-lo com maior frequência e, assim, ajustar a flutuações do mercado de forma dinâmica e mais rápida.

Estes são apenas alguns exemplos de aplicação concreta da tecnologia do Digital Annealer para resolver problemas complexos dos dias de hoje, mas a sua aplicabilidade é bem mais vasta. O Digital Annealer está disponível para utilização em regime de pay-per-use através da cloud da Fujitsu, com oferta de serviços end-to-end, desde a definição do problema e a sua modelação matemática até ao desenvolvimento de uma solução que integra com o Digital Annealer através da sua API.

Para saber mais, pode consultar a página do Digital Annealer (em Inglês)

Pedro_Machado
Artigo de opinião da autoria de Pedro Machado, Digital Emerging Technologies Senior Consultant na Fujitsu Portugal

Date: 29 May, 2020