Ako fungujú optické a kvantové počítače?

Reklama

Výpočtová história je plná flopov.

Apple III mal nepríjemný zvyk variť sa vo svojej deformovanej škrupine. Atari Jaguar, „inovatívna“ herná konzola, ktorá mala nejaké falošné tvrdenia o jej výkonnosti, jednoducho nedokázala chytiť trh. Vlajková loď Intel Pentium navrhnutá pre vysoko výkonné účtovnícke aplikácie ťažkosti s desatinnými číslami.

Ale ďalší druh flopu, ktorý prevláda vo svete výpočtovej techniky, je prepadne meranie, dlho považované za primerane spravodlivé porovnanie rôznych strojov, architektúr a systémov.

FLOPS je miera operácií s pohyblivou rádovou čiarkou za sekundu. Zjednodušene povedané, je to tachometer pre počítačový systém. A bolo to exponenciálne rastie celé desaťročia.

Čo keby som vám povedal, že za pár rokov budete mať na stole alebo v televízii alebo v telefóne systém, ktorý utrie podlahu dnešných superpočítačov? Neuveriteľné? Som blázon? Prezrite si históriu skôr, ako sa rozhodnete.

Superpočítač na supermarket

Nedávny procesor Intel i7 Haswell Aký je teda rozdiel medzi procesormi Intel Haswell a Ivy Bridge?

Hľadáte nový počítač? Zákazníci, ktorí nakupujú nový prenosný počítač alebo stolný počítač s procesorom Intel, musia poznať rozdiely medzi procesormi Intel poslednej a najnovšej generácie. Čítaj viac procesor môže vykonávať asi 177 miliárd FLOPS (GFLOPS), ktorý je rýchlejší ako najrýchlejší superpočítač v USA v roku 1994, Sandia National Labs XP / s140 s 3 680 výpočtovými jadrami spolupracujúcimi.

PlayStation 4 môže vďaka svojej pokročilej prevádzke pracovať na úrovni približne 1,8 bilióna FLOPS Bunková mikroarchitektúraa bol by prekonal 55 miliónov dolárov ASCI Red superpočítač, ktorý dosiahol vrchol svetovej superpočítačovej ligy v roku 1998, takmer 15 rokov pred vydaním PS4.

IBM Systém Watson AI IBM odhaľuje revolučný „mozog na čipe“„TrueNorth“, ktorý bol oznámený minulý týždeň prostredníctvom článku vo vede, je tzv. Neuromorfný čip - počítačový čip navrhnutý na napodobňovanie biologických neurónov na použitie v inteligentných počítačových systémoch, ako sú napr Watson. Čítaj viac má (aktuálne) špičková prevádzka 80 TFLOPSa to nie je ani zďaleka blízko k tomu, aby sme ho zaradili do zoznamu 500 najlepších dnešných superpočítačov Čínska Tianhe-2 okruh Top 500 v posledných 3 po sebe nasledujúcich prípadoch so špičkovým výkonom 54,902 TFLOPS alebo takmer 55 Peta-FLOPS.

Veľkou otázkou je, kde je ďalšia stolný superpočítač Najnovšia počítačová technológia, ktorú musíte vidieť, aby ste uveriliVyskúšajte niektoré z najnovších počítačových technológií, ktoré sú pripravené v nasledujúcich rokoch transformovať svet elektroniky a počítačov. Čítaj viac pochádzaš? A čo je dôležitejšie, kedy to dosiahneme?

Ďalší Brick v Power Wall

V nedávnej histórii boli hnacou silou medzi týmito pôsobivými nárastmi rýchlosti veda v materiálovej vede a architektúre; Nižšie výrobné procesy v menšom nanometri znamenajú, že triesky môžu byť tenšie, rýchlejšie a odvádzajú menej energie vo forme tepla, čo spôsobuje ich lacnejšie fungovanie.

S vývojom viacjadrových architektúr koncom 2000 rokov sa tiež mnoho „procesorov“ vytlačí na jeden čip. Táto technológia v kombinácii s rastúcou zrelosťou distribuovaných výpočtových systémov, ak ich bolo veľa „Počítače“ môžu fungovať ako jeden stroj, čo znamená, že Top 500 vždy rástol, len čo sa týka udržiavania tempo s Moorov slávny zákon.

Avšak, fyzikálne zákony začínajú brániť tomuto rastu, dokonca Intel sa toho obávaa mnohí z celého sveta hľadajú ďalšie.

... asi za desať rokov uvidíme kolaps Mooreovho zákona. V skutočnosti už vidíme spomalenie Mooreovho zákona. Výkon počítača jednoducho nedokáže udržať svoj rýchly exponenciálny nárast pomocou štandardnej kremíkovej technológie. - DR. Michio Kaku – 2012

Základným problémom súčasného návrhu spracovania je to, že tranzistory sú buď zapnuté (1) alebo vypnuté (0). Zakaždým a tranzistorová brána „Preklopí“, musí vytlačiť určité množstvo energie do materiálu, z ktorého je brána vyrobená, aby „preklopenie“ zostalo. Keď sa tieto brány zmenšujú a zmenšujú, pomer medzi energiou na použitie tranzistora a energia na „preklopenie“ tranzistora sa zväčšuje a zväčšuje, čo vytvára veľké vyhrievanie a spoľahlivosť problémy. Súčasné systémy sa blížia - a v niektorých prípadoch presahujú - k hustote surového tepla v jadrových reaktoroch a materiály začínajú zlyhávať ich projektanti. Toto sa klasicky nazýva „Elektrická stena“.

Niektorí nedávno začali uvažovať inak o tom, ako vykonávať užitočné výpočty. Obzvlášť dve spoločnosti nás upútali, pokiaľ ide o pokročilé formy kvantovej a optickej výpočtovej techniky. kanadský Systémy D-Wave a UK Optalysys, ktorí majú extrémne odlišné prístupy k veľmi odlišným súborom problémov.

Čas na zmenu hudby

Spoločnosť D-Wave získala v poslednom čase veľa tlače, pričom ich super chladená zlovestná čierna skrinka s extrémne kyberpunkovým vnútorným hrotom obsahovala záhadný nahý čip s ťažko predstaviteľnými silami.

Systém D2 v podstate využíva úplne iný prístup k riešeniu problémov tým, že efektívne vyhodí knihu pravidiel o príčinách a následkoch. Aké problémy teda podporuje spoločnosť Google / NASA / Lockheed Martin, ktorých cieľom je?

Rambling Man

Historicky, ak chcete vyriešiť NP-tvrdý alebo stredný problém, ak existuje veľmi vysoký počet možných riešení, ktoré majú širokú škálu možností, použitie „hodnôt“ klasický prístup jednoducho nefunguje. Zoberme si napríklad problém cestujúceho obchodníka; Vzhľadom k tomu, N-mestá, nájsť najkratšiu cestu k návšteve všetkých miest raz. Je dôležité poznamenať, že TSP je hlavným faktorom v mnohých oblastiach, ako je výroba mikročipov, logistika a dokonca aj sekvenovanie DNA,

Všetky tieto problémy sa však scvrkávajú na zjavne jednoduchý proces; Vyberte bod, od ktorého chcete začať, vygenerovať trasu okolo N „vecí“, zmerať vzdialenosť a, ak existuje trasa, ktorá je kratšia ako trasa, zlikvidujte pokus o trasu a pokračujte ďalej, až kým už nebudú k dispozícii žiadne ďalšie trasy skontrolovať.

Znie to ľahko a pre malé hodnoty to je; pre 3 mestá je potrebné skontrolovať 3 * 2 * 1 = 6 trás, pre 7 miest je 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, čo nie je pre zlé zvládnutie počítača také zlé. Toto je faktoriál a možno ich vyjadriť ako „N!“, takže 5040 je 7 !.

V čase, keď idete len o niečo ďalej, do 10 miest, ktoré chcete navštíviť, musíte otestovať viac ako 3 milióny trás. Kým sa dostanete na 100, počet trás, ktoré musíte skontrolovať, je 9, za ktorými nasleduje 157 číslic. Jediným spôsobom, ako sa pozrieť na tieto druhy funkcií, je použitie logaritmického grafu, kde os y začína na 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3) ) a tak ďalej.

Čísla sú príliš veľké na to, aby sa dali primerane spracovať na akomkoľvek počítači, ktorý dnes existuje alebo môže existovať pomocou klasických počítačových architektúr. Ale to, čo robí D-Wave, je veľmi odlišné.

Vesuv - Emerges

Vezuvský čip v D2 používa okolo 500 ‘qubitsQuant alebo Quantum Bits na vykonanie týchto výpočtov pomocou metódy nazývanej Kvantové žíhanie. Namiesto merania každej trasy v čase sú Vesuvius Qubits nastavené do superpozičného stavu (ani zapnuté, ani vypnuté, pracujúce spolu ako druh potenciálneho poľa) a sériu čoraz komplexnejších algebraických opisov riešenia (t. j. séria z Hamiltonian popisy riešenia, nie samotné riešenie) sa použijú na pole superpozície.

V skutočnosti systém testuje vhodnosť každého potenciálneho riešenia súčasne, napríklad ako „loptička“, ktorá rozhoduje o tom, ako ísť z kopca. Keď je superpozícia uvoľnená do základného stavu, tento základný stav qubitov by mal opísať optimálne riešenie.

Mnohí sa pýtali, akú veľkú výhodu má systém D-Wave oproti konvenčnému počítaču. V nedávnom teste platformy proti typickému problému cestovného Salemana, ktorý trval 30 minút pre klasický počítač, Trvalo len pol sekundy na Vesuve.

Aby to bolo jasné, nikdy to nebude systém, na ktorom hráte Doom. Niektorí komentátori sa snažia porovnajte tento vysoko špecializovaný systém s univerzálnym procesorom. Bolo by lepšie, keby ste porovnali Ohio-trieda ponorka s F35 Blesk; každá metrika, ktorú vyberiete pre jednu, je taká nevhodná pre druhú, aby bola zbytočná.

D-Wave je v porovnaní so štandardným procesorom a FLOPS rýchlejšie nastavený na svoje špecifické problémy o niekoľko rádov. odhady sa pohybujú od relatívne pôsobivých 420 GFLOPS k pútavému 1,5 Peta-FLOPS (zaradiť ho do zoznamu 10 najlepších superpočítačov v roku 2013 v čase posledného verejného prototypu). Táto nerovnosť zdôrazňuje začiatok konca FLOPS ako univerzálne meranie pri aplikácii na konkrétne problémové oblasti.

Táto oblasť výpočtovej techniky je zameraná na veľmi špecifický (a veľmi zaujímavý) súbor problémov. Je znepokojujúce, že jedným z problémov v tejto oblasti je kryptografie Ako šifrovať svoje Gmail, Outlook a iný webmailE-mailové účty majú kľúče k vašim osobným informáciám. Tu je uvedený postup šifrovania účtov Gmail, Outlook.com a ďalších poštových účtov. Čítaj viac - konkrétne kryptografia s verejným kľúčom.

Našťastie sa implementácia D-Wave javí zameraná na optimalizačné algoritmy a D-Wave urobil niektoré konštrukčné rozhodnutia (napríklad hierarchickú štruktúru peeringu na čipe), ktorá naznačujú, že ste ich nemohli použiť Vesuvius vyriešiť Shorov algoritmus, čo by potenciálne zle odomklo internet to by robilo Roberta Redforda hrdým.

Laserové matematiky

Druhou spoločnosťou na našom zozname je Optalysys. Táto spoločnosť so sídlom v Spojenom kráľovstve sa zaoberá výpočtami a otáča ju na hlave pomocou analógovej superpozície svetla, aby vykonala určité triedy výpočtov pomocou samotnej povahy svetla. Nižšie uvedené video ukazuje niektoré pozadie a základy systému Optalysys, ktoré predstavil Prof. Heinz Wolff.

Je to trochu ručné, ale v podstate je to škatuľka, ktorá jedného dňa snáď sedí na vašom stole a poskytujú výpočtovú podporu pre simulácie, CAD / CAM a lekárske zobrazovanie (a možno, len, možno, počítač) hry). Rovnako ako Vesuv nie je možné, že riešenie Optalysys bude vykonávať bežné výpočtové úlohy, ale na to nie je určené.

Užitočným spôsobom, ako premýšľať o tomto štýle optického spracovania, je myslieť ho ako fyzická jednotka grafického spracovania (GPU). Moderné GPU Zoznámte sa s grafickým urýchľovačom v neskutočných detailoch s GPU-Z [Windows]GPU alebo jednotka na spracovanie grafiky je časť vášho počítača zodpovedná za manipuláciu s grafikou. Inými slovami, ak sú hry na vašom počítači trhané alebo ak nedokážu zvládnuť nastavenia vysokej kvality, ... Čítaj viac Používajú paralelne mnoho streamingových procesorov, ktoré vykonávajú rovnaké výpočty na rôznych dátach prichádzajúcich z rôznych oblastí pamäte. Táto architektúra vznikla ako prirodzený výsledok spôsobu, akým sa generuje počítačová grafika, ale táto masívne paralelná architektúra sa používa na všetko, od čoho sa počíta vysokofrekvenčné obchodovanie, až Umelé neurónové siete.

Optalsys prijíma podobné princípy a prekladá ich do fyzického média; rozdelenie údajov sa stáva delením lúčov, stáva sa lineárna algebra kvantové rušenieFunkcie štýlu MapReduce sa stávajú systémami optického filtrovania. A všetky tieto funkcie pracujú v konštantnom, skutočne okamžitom čase.

Počiatočné prototypové zariadenie používa na vykonávanie rýchlych Fourierových transformácií mriežku prvkov 20 Hz 500 × 500 (v podstate „aké frekvencie sa objavujú v tomto vstupnom toku?“) a poskytli ohromujúci ekvivalent z 40 GFLOPS. Vývojári zacieľujú na systém 340 GFLOPS ďalší rok, čo by vzhľadom na odhadovanú spotrebu energie predstavovalo pôsobivé skóre.

Takže kde je môj čierny box?

história práce na počítači Stručná história počítačov, ktoré zmenili svetMôžete stráviť roky ponorením sa do histórie počítača. Existujú tony vynálezov, tony kníh o nich - a to je skôr, ako sa začnete ukazovať prstom, ku ktorému nevyhnutne dôjde, keď ... Čítaj viac ukazuje, že to, čo je spočiatku rezervou výskumných laboratórií a vládnych agentúr, sa rýchlo dostáva do spotrebiteľského hardvéru. Bohužiaľ, história výpočtovej techniky sa ešte nemusí zaoberať obmedzeniami fyzikálnych zákonov.

Osobne si nemyslím, že D-Wave a Optalysys budú presne tie technológie, ktoré máme v našich kanceláriách za 5-10 rokov. Zoberme si to prvý rozpoznateľný "Inteligentné hodinky" bol odhalený v roku 2000 a nešťastne zlyhal; ale podstata technológie pokračuje aj dnes. Podobne sa tieto prieskumy do urýchľovačov kvantového a optického počítania pravdepodobne skončia ako poznámky pod čiarou v „ďalšej veľkej veci“.

Veda o materiáloch sa blíži biologické počítačepomocou štruktúr podobných DNA na vykonanie matematiky. Nanotechnológia a „Programovateľné záležitosti“ sa blíži k bodu, ktorý bol skôr spracovaním „údajov“, samotný materiál bude obsahovať, reprezentovať aj spracovávať informácie.

Celkovo vzaté, pre výpočtového vedca je to nový odvážny svet. Kam si myslíte, že to všetko ide? Poďme si o tom rozprávať v komentároch!

Fotografie:KL Intel Pentium A80501 autor: Konstantin Lanzet, Asci red - tflop4m vláda USA - Sandia National Laboratories, DWave D2 Autor: Vancouver Sun, DWave 128čip autor: D-Wave Systems, Inc., Cestovanie problém obchodníka autor: Randall Munroe (XKCD)