Cum funcționează calculatoarele optice și cuantice?

Publicitate

Istoricul calculatoarelor este plin de Flops.

Apple III avea un obicei urât de a se găti în coaja ei deformată. Atari Jaguar, o consolă de jocuri „inovatoare” care a avut câteva afirmații înverșunate cu privire la performanțele sale, pur și simplu nu a putut apuca piața. Chip-ul principal Pentium al Intel, proiectat pentru aplicații de contabilitate de înaltă performanță, a avut dificultate cu numere zecimale.

Dar celălalt tip de flop care predomină în lumea computerelor este FLOPS măsurare, mult timp salutată ca o comparație rezonabilă corectă între diferite mașini, arhitecturi și sisteme.

FLOPS este o măsură a operațiunilor în plutire pe secundă. Simplu, este vitezometrul pentru un sistem de calcul. Și a fost crescând exponențial zeci de ani.

Deci, dacă v-aș spune că peste câțiva ani, veți avea un sistem așezat pe birou, sau la televizor sau în telefon, care ar șterge podeaua supercomputerelor de astăzi? Incredibil? Sunt un nebun? Aruncați o privire la istorie înainte de a judeca.

Supercomputer la Supermarket

Un Intel i7 recent Haswell Deci, care este diferența dintre procesoarele Intel Haswell și Ivy Bridge?Căutați un computer nou? Cei care cumpără un laptop sau desktop nou, alimentat de Intel, trebuie să cunoască diferențele dintre ultima și cea mai recentă generație de procesoare Intel. Citeste mai mult procesorul poate efectua aproximativ 177 miliarde FLOPS (GFLOPS), care este mai rapid decât cel mai rapid supercomputer din SUA, în 1994 Sandia National Labs XP / s140 cu 3.680 de nuclee de calcul care lucrează împreună.

PlayStation 4 poate funcționa la aproximativ 1,8 trilioane FLOP-uri datorită avansatului său Micro-arhitectură celularăși ar fi trântit-o 55 milioane USD ASCI Red supercomputer care a trecut în liga mondială a supercomputatorilor în 1998, cu aproape 15 ani înainte de lansarea PS4.

IBM Sistemul AI Watson IBM dezvăluie "creierul revoluționar pe un cip"Anunțată săptămâna trecută prin intermediul unui articol din Science, „TrueNorth” este ceea ce este cunoscut drept „cip neuromorf” - un cip computer conceput pentru a imita neuronii biologici, pentru utilizare în sisteme informatice inteligente precum Watson. Citeste mai mult are (curent) operare de vârf 80 TFLOPSși nu este aproape nicăieri aproape de a-l înscrie în lista Top 500 a supercomputerelor de astăzi, cu Tianhe-2 chinezesc conducerea Top 500 în ultimele 3 ocazii consecutive, cu o performanță de vârf de 54,902 TFLOPS, sau aproape 55 Peta-FLOPS.

Marea întrebare este, unde este următoarea supercomputer de dimensiuni desktop Ultima tehnologie computerizată pe care trebuie să o vedeți pentru a credeConsultați unele dintre cele mai noi tehnologii informatice, care vor fi transformate în lumea electronică și a computerelor în următorii câțiva ani. Citeste mai mult va veni de la? Și mai important, când îl obținem?

O altă cărămidă din peretele puterii

În istoria recentă, forțele motrice dintre aceste câștiguri impresionante în viteză au fost în știința materialelor și în proiectarea arhitecturii; Procesele de fabricație la scară mai mică de nanometri înseamnă că jetoanele pot fi mai subțiri, mai rapide și pot arunca mai puțină energie sub formă de căldură, ceea ce le face mai ieftine să fie difuzate.

De asemenea, odată cu dezvoltarea arhitecturilor cu mai multe nuclee la sfârșitul anilor 2000, multe „procesoare” sunt acum stoarse pe un singur cip. Această tehnologie, combinată cu maturitatea crescândă a sistemelor de calcul distribuite, unde multe „Calculatoarele” pot funcționa ca o singură mașină, înseamnă că Top 500 a crescut mereu, aproape să păstreze pas cu Celebra lege a lui Moore.

Însă legile fizicii încep să iasă în calea întregii creșteri, chiar Intel este îngrijorat în legătură cu astași mulți din întreaga lume sunt la vânătoare pentru următorul lucru.

... în aproximativ zece ani, vom vedea prăbușirea Legii lui Moore. De fapt, deja, vedem o încetinire a Legii lui Moore. Puterea computerului pur și simplu nu își poate menține creșterea exponențială rapidă folosind tehnologia standard a siliciului. - Dr. Michio Kaku – 2012

Problema fundamentală cu proiectarea curentă a procesării este că tranzistorii sunt opriți (1) sau opriți (0). De fiecare dată a poarta tranzistorului „Flips”, trebuie să expulzeze o anumită cantitate de energie în materialul din care poarta este făcută pentru ca „flip” să rămână. Pe măsură ce aceste porți devin din ce în ce mai mici, raportul dintre energia de utilizare a tranzistorului și energia pentru a „flip” tranzistorul devine din ce în ce mai mare, creând încălzire și fiabilitate majore Probleme. Sistemele actuale se apropie - și, în unele cazuri, depășesc - densitatea de căldură brută a reactoarelor nucleare, iar materialele încep să eșueze proiectanții lor. Aceasta se numește clasic „Perete de putere”.

Recent, unii au început să se gândească diferit la modul de a efectua calcule utile. În special două companii ne-au atras atenția în ceea ce privește formele avansate de calcul cuantic și optic. canadian Sisteme D-Wave și cu sediul în Marea Britanie Optalysys, care ambele au abordări extrem de diferite la seturi de probleme foarte diferite.

Timpul de a schimba muzica

D-Wave a primit o mulțime de presă în ultima vreme, cu cutia lor neagră super răcită, cu un vârf interior extrem de cyberpunk, care conține un enigmatic chip gol cu ​​puteri greu de imaginat.

În esență, sistemul D2 ia o abordare complet diferită a rezolvării problemelor, aruncând în mod eficient cartea de reguli cauză-efect. Deci, ce fel de probleme vizează acest Google / NASA / Lockheed Martin?

Omul Rambling

Istoric, dacă doriți să rezolvați un Problema NP-Hard sau Intermediar, unde există un număr extrem de mare de soluții posibile, care au o gamă largă de potențial, folosind „valori” abordarea clasică pur și simplu nu funcționează. Luăm, de exemplu, problema Vânzătorului în călătorie; având în vedere orașele N, găsiți cea mai scurtă cale pentru a vizita toate orașele odată. Este important de menționat că TSP este un factor major în multe domenii precum producția de microcipuri, logistica și chiar secvențierea ADN-ului,

Dar toate aceste probleme se reduc până la un proces aparent simplu; Alegeți un punct de la care să porniți, generați un traseu în jurul a N „lucruri”, măsurați distanța și dacă există un existent traseu care este mai scurt decât acesta, arunca ruta încercată și trece la următoarea, până când nu mai sunt rute Verifica.

Acest lucru sună ușor, iar pentru valori mici, este; pentru 3 orașe, există 3 * 2 * 1 = 6 rute de verificat, pentru 7 orașe există 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, ceea ce nu este prea rău pentru un computer. Acesta este un factorial secvență și poate fi exprimat ca „N!”, deci 5040 este 7 !.

Cu toate acestea, până când mergi puțin mai departe, în 10 orașe de vizitat, trebuie să testezi peste 3 milioane de rute. Până când ajungeți la 100, numărul de rute pe care trebuie să le verificați este de 9 urmate 157 cifre. Singura modalitate de a privi aceste tipuri de funcții este folosind un grafic logaritmic, unde axa y începe de la 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3) ) si asa mai departe.

Numerele devin prea mari pentru a putea prelucra în mod rezonabil pe orice mașină care există astăzi sau poate exista folosind arhitecturi clasice de calcul. Dar ceea ce face D-Wave este foarte diferit.

Vesuviu apare

Cipul Vesuviu din D2 utilizează aproximativ 500 'qubiti„Sau Quantum Bits pentru a efectua aceste calcule folosind o metodă numită Recuperarea cuantică. În loc să măsoare fiecare rută la un moment dat, Vesuviu Qubits sunt setate într-o stare de suprapunere (nici pornit, nici oprit, funcționând împreună ca un fel de câmp potențial) și o serie de descrieri algebrice din ce în ce mai complexe ale soluției (adică o serie de Hamiltonian descrierile soluției, nu o soluție în sine) sunt aplicate câmpului de superpoziție.

De fapt, sistemul testează potrivirea fiecărei soluții potențiale simultan, cum ar fi o bilă care „decide” ce cale să coboare pe un deal. Atunci când superpoziția este relaxată într-o stare de sol, acea stare de sol a șuburilor trebuie să descrie soluția optimă.

Mulți s-au pus la îndoială cât de avantajele oferă sistemul D-Wave asupra unui computer convențional. Într-un test recent al platformei împotriva unei probleme tipice Saleman Traveling, care a durat 30 de minute pentru un computer clasic, a luat doar o jumătate de secundă pe Vesuviu.

Cu toate acestea, ca să fie clar, acesta nu va fi niciodată un sistem pe care joci Doom. Unii comentatori încearcă comparați acest sistem extrem de specializat cu un procesor cu scop general. Ați fi mai bine să comparați un an Ohio-clas submarin cu F35 Fulger; orice valoare pe care o selectați pentru una este atât de nepotrivită pentru cealaltă, încât este inutilă.

D-Wave intră mai repede la câteva ordine de mărime pentru problemele sale specifice în comparație cu un procesor standard și FLOPS estimările variază de la un 420 GFLOPS relativ impresionant la un Peta-FLOPS 1.5 (Peta-FLOPS) (plasându-l în Top 10 Supercomputer în 2013, la data ultimului prototip public). Dacă există, această diferență evidențiază începutul sfârșitului FLOPS ca o măsurătoare universală atunci când este aplicată pe anumite zone problematice.

Acest domeniu de calcul are ca obiectiv un set de probleme foarte specific (și foarte interesant). În mod îngrijorător, una dintre problemele din această sferă este criptografie Cum să vă criptați Gmail, Outlook și alt WebmailConturile de e-mail dețin cheile informațiilor personale. Iată cum puteți cripta Gmail, Outlook.com și alte conturi de e-mail. Citeste mai mult - în special Criptografia cu cheie publică.

Din fericire, implementarea lui D-Wave pare concentrată pe algoritmi de optimizare, iar D-Wave a luat unele decizii de proiectare (cum ar fi structura ierarhică de peering pe cip) care indicați că nu puteți utiliza Vesuviu de rezolvat Algoritmul lui Shor, care ar debloca Internetul atât de prost îl va face mândru pe Robert Redford.

Matematica laser

A doua companie din lista noastră este Optalysys. Această companie cu sediul în Marea Britanie preia calculul și o întoarce pe cap folosind superpoziția analogică a luminii pentru a efectua anumite clase de calcul utilizând natura luminii în sine. Videoclipul de mai jos prezintă o parte din fundalul și elementele fundamentale ale sistemului Optalysys, prezentate de Prof. Heinz Wolff.

Este un pic de mână, dar, în esență, este o cutie care, sperăm, într-o zi să stea pe biroul tău și oferi suport de calcul pentru simulări, CAD / CAM și imagini medicale (și poate, doar poate, computer jocuri). La fel ca Vesuviu, nu există nicio modalitate prin care soluția Optalysys să efectueze sarcini de calcul mainstream, dar nu este pentru ce este proiectată.

Un mod util de a gândi acest stil de prelucrare optică este să îl gândești ca pe o unitate de procesare grafică fizică (GPU). GPU modernă Cunoaște-ți acceleratorul grafic în detalii chinuitoare cu GPU-Z [Windows]Unitatea de procesare grafică sau unitatea de procesare grafică este partea computerului care se ocupă de manipularea graficii. Cu alte cuvinte, dacă jocurile sunt înțepate pe computer sau nu pot suporta setări de înaltă calitate, ... Citeste mai mult Utilizăm numeroase procesoare de streaming în paralel, efectuând același calcul pe date diferite care provin din zone diferite de memorie. Această arhitectură a venit ca un rezultat natural al modului în care sunt generate graficele computerului, dar această arhitectură masivă paralelă a fost folosită pentru toate tranzacționare de înaltă frecvență, la Rețele neuronale artificiale.

Optalsys ia principii similare și le traduce într-un mediu fizic; partiționarea datelor devine divizarea fasciculului, devine algebra liniară interferență cuantică, Funcțiile în stil MapReduce devin sisteme optice de filtrare. Și toate aceste funcții funcționează într-un timp constant, eficient instantaneu.

Dispozitivul inițial de prototip folosește o grilă de 20Hz de 500 × 500 de elemente pentru a realiza transformări rapide Fourier (practic, „ce frecvențe apar în acest flux de intrare?”) și a furnizat un echivalent de subliniere de 40 GFLOPS. Dezvoltatorii vizează un sistem 340 GFLOPS anul urmator, care, având în vedere consumul estimat de energie electrică, ar fi un scor impresionant.

Deci unde este cutia mea neagră?

istoric de calcul O scurtă istorie a computerelor care a schimbat lumeaPuteți petrece ani întregi aprofundându-vă în istoria computerului. Există tone de invenții, tone de cărți despre ele - și asta înainte de a începe să intri în vârful degetelor care apare inevitabil atunci când ... Citeste mai mult ne arată că ceea ce este inițial rezerva laboratoarelor de cercetare și a agențiilor guvernamentale își face repede drum în hardware-ul de consum. Din păcate, istoria calculului nu a trebuit să se ocupe de limitările legilor fizicii.

Personal, nu cred că D-Wave și Optalysys vor fi tehnologiile exacte pe care le avem pe birourile noastre în 5-10 ani. Luați în considerare că primul care poate fi recunoscut "Ceas inteligent" a fost dezvăluit în 2000 și a eșuat în mod mizerabil; dar esența tehnologiei continuă și astăzi. De asemenea, aceste explorări în acceleratoarele de calcul cuantice și optice vor ajunge probabil ca note de subsol în „următorul lucru mare”.

Știința materialelor se apropie de calculatoare biologice, folosind structuri asemănătoare ADN-ului pentru a efectua matematica. Nanotehnologie și „Problemă programabilă” se apropie de acest aspect, în loc să prelucreze „date”, materialul în sine va conține, reprezenta și prelucra informații.

În total, este o lume nouă curajos pentru un om de știință de calcul. Unde crezi că totul merge? Să vorbim despre asta în comentarii!

Credite foto:KL Intel Pentium A80501 de Konstantin Lanzet, Asci roșu - tflop4m de către guvernul SUA - Sandia National Laboratories, DWave D2 de The Vancouver Sun, DWave 128chip de D-Wave Systems, Inc., Problema vânzătorului în călătorie de Randall Munroe (XKCD)