Jak działają komputery optyczne i kwantowe?

Reklama

Historia komputerów jest pełna Flops.

The Apple III miał paskudny zwyczaj gotowania się w zdeformowanej skorupce. The Atari Jaguar, „innowacyjna” konsola do gier, która miała fałszywe twierdzenia na temat jej wydajności, po prostu nie mogła zdobyć rynku. Flagowy układ Pentium Intela zaprojektowany do wysokowydajnych aplikacji księgowych trudność z liczbami dziesiętnymi.

Innym rodzajem flopa w świecie komputerów jest FLOPSY pomiar, od dawna okrzyknięty rozsądnym porównaniem różnych maszyn, architektur i systemów.

FLOPS to miara operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę. Krótko mówiąc, jest to prędkościomierz dla systemu komputerowego. I tak było rośnie wykładniczo przez dziesięciolecia.

A co, jeśli powiem ci, że za kilka lat będziesz mieć system siedzący na biurku, w telewizorze lub w telefonie, który zetrze podłogę dzisiejszych superkomputerów? Niesamowite? Jestem wariatem? Zanim ocenisz, spójrz na historię.

Superkomputer do supermarketu

Najnowszy Intel i7 Haswell Jaka jest różnica między procesorami Intela Haswell a procesorami Ivy Bridge?

Szukasz nowego komputera? Osoby kupujące nowy laptop lub komputer stacjonarny z procesorem Intel muszą znać różnice między procesorami Intel ostatniej i najnowszej generacji. Czytaj więcej procesor może wykonać około 177 miliardów FLOPS (GFLOPS), który jest szybszy niż najszybszy superkomputer w USA w 1994 r., Sandia National Labs XP / s140 z 3680 rdzeniami obliczeniowymi współpracującymi ze sobą.

PlayStation 4 może działać z prędkością około 1,8 biliona FLOPS dzięki swoim zaawansowanym funkcjom Mikroarchitektura komórek, i przebije 55 milionów USD ASCI Red superkomputer, który zajął pierwsze miejsce w światowej lidze superkomputerów w 1998 r., prawie 15 lat przed wydaniem PS4.

IBM System AI Watson IBM ujawnia rewolucyjny „mózg na chipie”Ogłoszony w zeszłym tygodniu w artykule w Science „TrueNorth” to tak zwany „chip neuromorficzny” - chip komputerowy zaprojektowany do naśladowania neuronów biologicznych, do stosowania w inteligentnych systemach komputerowych takich jak Watson. Czytaj więcej ma (bieżący) praca szczytowa 80 TFLOPS, i to wcale nie jest blisko umieszczenia go na liście 500 najlepszych dzisiejszych superkomputerów, z… Chiński Tianhe-2 na pierwszej pozycji w rankingu 500 w ostatnich 3 kolejnych razach, z najwyższą wydajnością wynoszącą 54,902 TFLOPS, czyli prawie 55 Peta-FLOPS.

Najważniejsze pytanie brzmi, gdzie jest następne superkomputer wielkości pulpitu Najnowsza technologia komputerowa, którą musisz wierzyćSprawdź niektóre z najnowszych technologii komputerowych, które zmienią świat elektroniki i komputerów w ciągu najbliższych kilku lat. Czytaj więcej zamierzasz pochodzić? A co ważniejsze, kiedy to otrzymujemy?

Kolejna cegła w ścianie mocy

W najnowszej historii, siłą napędową między tymi imponującymi wzrostami prędkości były inżynieria materiałowa i projektowanie architektury; mniejsze procesy produkcyjne w skali nanometrycznej oznaczają, że chipy mogą być cieńsze, szybsze i wyrzucać mniej energii w postaci ciepła, co czyni je tańszymi.

Ponadto, wraz z rozwojem architektury wielordzeniowej pod koniec 2000 roku, wiele „procesorów” jest teraz ściśniętych na jednym układzie. Technologia ta, w połączeniu z rosnącą dojrzałością rozproszonych systemów obliczeniowych, których jest wiele „Komputery” mogą działać jako jedna maszyna, co oznacza, że ​​Top 500 zawsze się rozwijał, tylko o utrzymanie tempo z Słynne prawo Moore'a.

Jednakże prawa fizyki zaczynają przeszkadzać w całym tym rozwoju, parzysty Intel martwi się o toi wielu na całym świecie szuka następnej rzeczy.

… Za około dziesięć lat nastąpi upadek prawa Moore'a. W rzeczywistości już widzimy spowolnienie prawa Moore'a. Moc komputera po prostu nie jest w stanie utrzymać szybkiego wzrostu wykładniczego za pomocą standardowej technologii krzemowej. - Dr. Michio Kaku – 2012

Podstawowym problemem związanym z obecnym projektem przetwarzania jest to, że tranzystory są włączone (1) lub wyłączone (0). Za każdym razem a bramka tranzystorowa „Klapki”, musi wydobyć pewną ilość energii do materiału, z którego wykonana jest brama, aby „klapa” pozostała. W miarę jak te bramki stają się coraz mniejsze, stosunek energii do wykorzystania tranzystora i energia do „przerzucenia” tranzystora staje się coraz większa, co powoduje znaczne nagrzewanie i niezawodność problemy. Obecne systemy zbliżają się - a w niektórych przypadkach przekraczają - gęstość ciepła surowego reaktorów jądrowych, a materiały zaczynają zawodzić ich projektanci. Jest to klasycznie nazywane „Ściana mocy”.

Ostatnio niektórzy zaczęli inaczej myśleć o sposobie wykonywania przydatnych obliczeń. Zwłaszcza dwie firmy zwróciły naszą uwagę na zaawansowane formy obliczeń kwantowych i optycznych. kanadyjski Systemy D-Wave i w Wielkiej Brytanii Optalysys, którzy oboje mają bardzo różne podejścia do bardzo różnych zestawów problemów.

Czas zmienić muzykę

D-Wave zyskało ostatnio dużą popularność dzięki super-chłodzonej złowrogiej czarnej skrzynce z wyjątkowo cyberpunkowym wewnętrznym skokiem, zawierającym enigmatyczny nagi chip z trudnymi do wyobrażenia mocami.

Zasadniczo system D2 przyjmuje zupełnie inne podejście do rozwiązywania problemów, skutecznie wyrzucając zestaw reguł przyczynowo-skutkowych. Więc do jakiego rodzaju problemów dąży ten behemot obsługiwany przez Google / NASA / Lockheed Martin?

Człowiek wędrujący

Historycznie, jeśli chcesz rozwiązać Problem NP-trudny lub średniozaawansowany, gdzie istnieje bardzo duża liczba możliwych rozwiązań o szerokim zakresie potencjału, stosowanie „wartości” klasyczne podejście po prostu nie działa. Weźmy na przykład problem Traveling Salesman; biorąc pod uwagę N-miasta, znajdź najkrótszą ścieżkę do odwiedzenia wszystkich miast raz. Należy zauważyć, że TSP jest głównym czynnikiem w wielu dziedzinach, takich jak produkcja mikroczipów, logistyka, a nawet sekwencjonowanie DNA,

Ale wszystkie te problemy sprowadzają się do pozornie prostego procesu; Wybierz punkt, od którego chcesz zacząć, wygeneruj trasę wokół N „rzeczy”, zmierz odległość, a jeśli istnieje trasa krótsza od niej, odrzuć próbowaną trasę i przejdź do następnej, aż nie będzie już tras do niej czek.

To brzmi łatwo, a dla małych wartości tak jest; dla 3 miast jest 3 * 2 * 1 = 6 tras do sprawdzenia, dla 7 miast jest 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, co nie jest zbyt złe dla komputera. To jest Factorial sekwencja i może być wyrażona jako „N!”, więc 5040 to 7 !.

Zanim jednak przejdziesz nieco dalej, do 10 miast, które chcesz odwiedzić, musisz przetestować ponad 3 miliony tras. Zanim osiągniesz 100, liczba tras, które musisz sprawdzić, wynosi 9, a następnie 157 cyfry Jedynym sposobem spojrzenia na tego rodzaju funkcje jest użycie wykresu logarytmicznego, w którym oś y zaczyna się od 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3 ) i tak dalej.

Liczby stają się po prostu zbyt duże, aby można je było właściwie przetwarzać na dowolnym komputerze, który istnieje dzisiaj lub może istnieć przy użyciu klasycznych architektur obliczeniowych. Ale to, co robi D-Wave, jest zupełnie inne.

Vesuvius Emerges

Chip Vesuvius w D2 używa około 500 „kubity„Lub Bity kwantowe do wykonania tych obliczeń przy użyciu metody o nazwie Wyżarzanie kwantowe. Zamiast mierzyć każdą trasę naraz, kubity Vesuvius są ustawiane w stan superpozycji (ani włączony, ani wyłączony, działający razem jako rodzaj pola potencjalnego) i szereg coraz bardziej złożonych algebraicznych opisów rozwiązania (tj. szereg z Hamiltonian opisy rozwiązania, a nie samo rozwiązanie) są stosowane w polu superpozycji.

W efekcie system testuje przydatność każdego potencjalnego rozwiązania jednocześnie, np. Piłka „decyduje”, jak zjechać ze wzgórza. Kiedy superpozycja zostaje zrelaksowana do stanu podstawowego, ten stan podstawowy kubitów powinien opisywać optymalne rozwiązanie.

Wiele osób zastanawia się, jaką przewagę daje system D-Wave w porównaniu z konwencjonalnym komputerem. W ostatnim teście platformy z typowym problemem podróżujących salemanów, który zajął 30 minut dla klasycznego komputera, zajęło zaledwie pół sekundy na Wezuwiuszu.

Jednak, dla jasności, nigdy nie będzie to system, w którym grasz w Doom. Niektórzy komentatorzy próbują porównaj ten wysoce wyspecjalizowany system z procesorem ogólnego przeznaczenia. Lepiej byłoby porównać Ohio-klasa okręt podwodny z F35 Błyskawica; każda metryka wybrana dla jednej jest tak nieodpowiednia dla drugiej, że jest bezużyteczna.

D-Wave przyspiesza o kilka rzędów wielkości ze względu na swoje specyficzne problemy w porównaniu ze standardowym procesorem i FLOPS szacunki wahają się od stosunkowo imponujący 420 GFLOPS do oszałamiającej wersji 1.5 Peta-FLOPS (umieszczenie go na liście 10 najlepszych superkomputerów w 2013 r. w czasie ostatniego publicznego prototypu). W każdym razie ta różnica podkreśla początek FLOPS jako uniwersalnego pomiaru, gdy stosuje się go do określonych obszarów problemowych.

Ten obszar informatyki jest ukierunkowany na bardzo specyficzny (i bardzo interesujący) zestaw problemów. Niepokojący jest jeden z problemów w tej sferze kryptografia Jak zaszyfrować Gmaila, Outlooka i inną pocztę internetowąKonta e-mail przechowują klucze do twoich danych osobowych. Oto, jak zaszyfrować konta Gmail, Outlook.com i inne konta pocztowe. Czytaj więcej - w szczególności kryptografia klucza publicznego.

Na szczęście implementacja D-Wave wydaje się skoncentrowana na algorytmach optymalizacji, a D-Wave podjął pewne decyzje projektowe (takie jak hierarchiczna struktura równorzędna na chipie), które wskaż, że nie możesz użyć Wezuwiusz do rozwiązania Algorytm Shora, które potencjalnie tak bardzo odblokowałyby Internet Robert Redford byłby dumny.

Laser Maths

Drugą firmą na naszej liście jest Optalysys. Ta brytyjska firma bierze obliczenia i obraca je na głowie za pomocą analogowej superpozycji światła, aby wykonać pewne klasy obliczeń z wykorzystaniem samej natury światła. Poniższy film przedstawia niektóre podstawy i podstawy systemu Optalysys przedstawione przez Prof. Heinz Wolff.

Jest trochę falujący, ale w gruncie rzeczy jest to pudełko, które, mam nadzieję, pewnego dnia usiądzie na twoim biurku i zapewniać wsparcie obliczeniowe dla symulacji, CAD / CAM i obrazowania medycznego (a może, być może, tylko komputera) Gry). Podobnie jak Vesuvius, nie ma możliwości, aby rozwiązanie Optalysys wykonywało główne zadania komputerowe, ale nie do tego jest przeznaczone.

Przydatnym sposobem myślenia o tym stylu przetwarzania optycznego jest myślenie o nim jak o fizycznej jednostce przetwarzania grafiki (GPU). Nowoczesny procesor graficzny Poznaj swój akcelerator grafiki w niesamowitych szczegółach dzięki GPU-Z [Windows]Procesor graficzny lub jednostka graficzna to część komputera odpowiedzialna za obsługę grafiki. Innymi słowy, jeśli gry są niepewne na twoim komputerze lub nie są w stanie obsłużyć ustawień bardzo wysokiej jakości, ... Czytaj więcej Używają wielu procesorów strumieniowych równolegle, wykonując te same obliczenia na różnych danych pochodzących z różnych obszarów pamięci. Ta architektura powstała w naturalny sposób ze sposobu generowania grafiki komputerowej, ale ta masowo równoległa architektura została wykorzystana do wszystkiego handel wysoką częstotliwością, do Sztuczne sieci neuronowe.

Optalsys przyjmuje podobne zasady i przekształca je w medium fizyczne; partycjonowanie danych staje się dzieleniem wiązki, algebra liniowa staje się interferencja kwantowaFunkcje stylu MapReduce stają się optycznymi systemami filtrującymi. Wszystkie te funkcje działają w stałym, skutecznie natychmiastowym czasie.

Początkowe urządzenie prototypowe wykorzystuje siatkę elementów 500 × 500 20 Hz do wykonywania szybkich transformacji Fouriera (w zasadzie „jakie częstotliwości pojawiają się w tym strumieniu wejściowym?”) i dostarczył niedościgniony odpowiednik z 40 GFLOPS. Deweloperzy wybierają system 340 GFLOPS Następny rok, co biorąc pod uwagę szacowany pobór mocy, byłby imponującym wynikiem.

Więc gdzie jest moja czarna skrzynka?

The historia informatyki Krótka historia komputerów, które zmieniły światMożesz spędzić lata zagłębiając się w historię komputera. Jest mnóstwo wynalazków, mnóstwo książek na ich temat - i to zanim zaczniesz sięgać w palec, co nieuchronnie ma miejsce, gdy ... Czytaj więcej pokazuje nam, że to, co początkowo stanowi rezerwę laboratoriów badawczych i agencji rządowych, szybko trafia do sprzętu konsumenckiego. Niestety, historia komputerów nie musiała jeszcze zajmować się ograniczeniami praw fizyki.

Osobiście nie sądzę, że D-Wave i Optalysys będą dokładnymi technologiami, które mamy na naszych biurkach za 5-10 lat. Weź pod uwagę, że pierwszy rozpoznawalny "Inteligentny zegarek" został odsłonięty w 2000 roku i poniósł nieszczęście; ale istota tej technologii trwa nadal. Podobnie te eksploracje kwantowych i optycznych akceleratorów komputerowych prawdopodobnie zakończą się przypisami w „następnej wielkiej rzeczy”.

Nauka o materiałach jest coraz bliżej komputery biologiczne, używając struktur podobnych do DNA do wykonania matematyki. Nanotechnologia i „Materia programowalna” zbliża się do punktu, w którym zamiast przetwarzać „dane”, sam materiał będzie zawierał, reprezentował i przetwarzał informacje.

Podsumowując, jest to wspaniały nowy świat dla naukowców zajmujących się obliczeniami. Jak myślisz, dokąd to wszystko zmierza? Porozmawiajmy o tym w komentarzach!

Kredyty fotograficzne:KL Intel Pentium A80501 autor: Konstantin Lanzet, Asci red - tflop4m przez rząd USA - Sandia National Laboratories, DWave D2 autor: The Vancouver Sun, DWave 128chip przez D-Wave Systems, Inc., Problem sprzedawcy podróży autor: Randall Munroe (XKCD)