Jak działają komputery optyczne i kwantowe?

Historia komputerów jest pełna Flops.

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

Ale innym rodzajem flopa, który dominuje w świecie komputerów, jest pomiar FLOPS, 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 rośnie wykładniczo od dziesięcioleci.

Co więc, gdybym ci powiedział, 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 procesor Intel i7 Haswell. Jaka jest różnica między procesorami Intel Haswell a procesorami Ivy Bridge? 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. procesor może wykonać około 177 miliardów FLOPS (GFLOPS), co jest szybsze 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 zaawansowanej mikro-architekturze Cell, i pokonałby superkomputer ASCI Red o wartości 55 milionów dolarów, który znalazł się w światowej lidze superkomputerów w 1998 roku, prawie 15 lat przed wydaniem PS4.

System sztucznej inteligencji IBM Watson IBM ujawnia rewolucyjny „mózg na chipie” IBM ujawnia rewolucyjny „mózg na chipie” Ogłoszony w zeszłym tygodniu przez artykuł w Science, „TrueNorth” to tak zwany „chip neuromorficzny” - chip komputerowy zaprojektowany do naśladują neurony biologiczne, do stosowania w inteligentnych systemach komputerowych, takich jak Watson. ma (bieżącą) szczytową operację 80 TFLOPS, i to nie jest blisko do umieszczenia go na liście 500 najlepszych dzisiejszych superkomputerów, przy czym chiński Tianhe-2 przewodził w pierwszej 500 w ostatnich 3 kolejnych przypadkach, z najwyższą wydajnością 54 902 TFLOPS, czyli prawie 55 Peta-FLOPS.

Najważniejsze pytanie brzmi: gdzie jest następny superkomputer wielkości pulpitu Najnowsza technologia komputerowa, którą trzeba zobaczyć, aby uwierzyć Najnowsza technologia komputerowa, którą trzeba zobaczyć, aby uwierzyć Sprawdź niektóre z najnowszych technologii komputerowych, które mają przekształcić świat elektroniki i komputery osobiste w ciągu najbliższych kilku lat. zamierzasz pochodzić? A co ważniejsze, kiedy go 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 zrzucać mniej energii w postaci ciepła, co czyni je tańszymi w eksploatacji.

Wraz z rozwojem architektury wielordzeniowej pod koniec 2000 roku wiele „procesorów” jest teraz ściśniętych na jednym układzie. Ta technologia, w połączeniu z rosnącą dojrzałością rozproszonych systemów obliczeniowych, w których wiele „komputerów” może działać jako jedna maszyna, oznacza, że ​​Top 500 zawsze się rozwijała, prawie tylko nadążając za słynnym prawem Moore'a.

Jednak prawa fizyki zaczynają przeszkadzać w całym tym rozwoju, nawet Intel martwi się o to, a 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, gdy bramka tranzystorowa „obraca się”, musi wydmuchać pewną ilość energii do materiału, z którego wykonana jest bramka, aby „przerzucić” się. W miarę jak te bramki stają się coraz mniejsze, stosunek energii do wykorzystania tranzystora i energii do „przerzucenia” tranzystora staje się coraz większy, co powoduje poważne problemy z ogrzewaniem i niezawodnością. Obecne systemy zbliżają się - a w niektórych przypadkach przekraczają - gęstość surowego ciepła reaktorów jądrowych, a ich projektanci zaczynają zawodzić. Jest to klasycznie nazywane „ścianą mocy”.

Ostatnio niektórzy zaczęli inaczej myśleć o tym, jak wykonywać przydatne obliczenia. Zwłaszcza dwie firmy zwróciły naszą uwagę na zaawansowane formy obliczeń kwantowych i optycznych. Kanadyjskie D-Wave Systems i Optalysys z Wielkiej Brytanii, które 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 ma zupełnie inne podejście do rozwiązywania problemów, skutecznie wyrzucając zestaw reguł przyczynowo-skutkowych. Więc jakie problemy ma ten behemot obsługiwany przez Google / NASA / Lockheed Martin?

Człowiek wędrujący

Historycznie, jeśli chcesz rozwiązać problem trudny lub średniozaawansowany, w którym istnieje bardzo duża liczba możliwych rozwiązań o szerokim potencjale, zastosowanie „wartości” klasyczne podejście po prostu nie działa. Weźmy na przykład problem Traveling Salesman; biorąc pod uwagę N-miasta, znajdź najkrótszą drogę do odwiedzenia wszystkich miast tylko 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 więcej tras do sprawdzenia.

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. Jest to sekwencja czynnikowa, którą można wyrazić jako “N.!”, więc 5040 to 7!.

Jednak zanim przejdziesz jeszcze trochę 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 rozsądnie 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

Układ Vesuvius w D2 wykorzystuje około 500 „kubitów” lub bitów kwantowych do wykonania tych obliczeń przy użyciu metody zwanej wyżarzaniem kwantowym. Zamiast mierzyć każdą trasę naraz, Kubicze Wezuwiusza są ustawiane w stan superpozycji (ani włączony, ani wyłączony, działający razem jako rodzaj potencjalnego pola) i szereg coraz bardziej złożonych algebraicznych opisów rozwiązania (tj. Szereg hamiltonianów 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.

Wielu kwestionowało, jak dużą zaletę daje system D-Wave w porównaniu z konwencjonalnym komputerem. W ostatnim teście platformy z typowym problemem podróżujących salemanów, który zajęł 30 minut dla klasycznego komputera, zajęło Wezuwiuszowi zaledwie pół sekundy.

Jednak, dla jasności, nigdy nie będzie to system, w którym grasz w Doom. Niektórzy komentatorzy próbują porównać ten wysoce wyspecjalizowany system z procesorem ogólnego przeznaczenia. Lepiej byłoby porównać okręt podwodny klasy Ohio z F35 Lightning; 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, a szacunki FLOPS wahają się od stosunkowo imponującego 420 GFLOPS do oszałamiającej 1,5 Peta-FLOPS (umieszczenie go w superkomputerze Top 10 lista w 2013 r. w momencie 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. Niepokojące jest to, że jednym z problemów w tej sferze jest kryptografia. Jak zaszyfrować Gmaila, Outlooka i inną pocztę internetową Jak zaszyfrować Gmaila, Outlooka i inne konta poczty e-mail przechowują klucze do danych osobowych. Oto jak zaszyfrować konta Gmail, Outlook.com i inne konta pocztowe. - w szczególności kryptografia klucza publicznego.

Na szczęście implementacja D-Wave wydaje się skoncentrowana na algorytmach optymalizacyjnych, a D-Wave podjął pewne decyzje projektowe (takie jak hierarchiczna struktura równorzędna na chipie), które wskazują, że nie można użyć Wezuwiusza do rozwiązania algorytmu Shora, który potencjalnie odblokowałby Internet tak bardzo, że 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. Heinza Wolffa.

Jest trochę poręczny, ale w gruncie rzeczy jest to pudełko, które, mam nadzieję, pewnego dnia usiądzie na twoim biurku i zapewni wsparcie obliczeniowe dla symulacji, CAD / CAM i obrazowania medycznego (a może, być może, gier komputerowych). Podobnie jak Vesuvius, nie ma możliwości, aby rozwiązanie Optalysys wykonywało zadania obliczeniowe głównego nurtu, 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). Modern GPU Poznaj swój akcelerator grafiki w niesamowitej szczegółowości dzięki GPU-Z [Windows] Poznaj swój akcelerator grafiki w niesamowitej szczegółowości w GPU-Z [Windows] Procesor graficzny to część twojego komputera obsługi grafiki. Innymi słowy, jeśli gry są niestabilne na twoim komputerze lub nie radzą sobie z ustawieniami bardzo wysokiej jakości,… używaj wielu procesorów strumieniowych równolegle, wykonując te same obliczenia na różnych danych pochodzących z różnych obszarów pamięci. Ta architektura powstała jako naturalny efekt sposobu generowania grafiki komputerowej, ale ta masowo równoległa architektura została wykorzystana do wszystkiego, od handlu wysokimi częstotliwościami, po sztuczne sieci neuronowe.

Optalsys przyjmuje podobne zasady i przekształca je w medium fizyczne; podział danych staje się dzieleniem wiązki, algebra liniowa staje się interferencją kwantową, funkcje 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 przytłaczający odpowiednik 40 GFLOPS. Deweloperzy zamierzają wprowadzić system 340 GFLOPS do przyszłego roku, co przy szacowanym zużyciu energii byłoby imponującym wynikiem.

Więc gdzie jest moja czarna skrzynka?

Historia komputerów Krótka historia komputerów, które zmieniły świat Krótka historia komputerów, które zmieniły świat Możesz spędzić lata zagłębiając się w historię komputera. Istnieje mnóstwo wynalazków, mnóstwo książek na ich temat - i to zanim zaczniesz docierać do palca, co nieuchronnie ma miejsce, gdy ... pokazuje nam, że to, co początkowo jest rezerwą laboratoriów badawczych i agencji rządowych, szybko trafia do sprzętu konsumenckiego. Niestety, historia komputerów jeszcze nie musiała mierzyć się z 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 jest rozpoznawalny “Inteligentny zegarek” został odsłonięty w 2000 roku i poniósł nieszczęście; ale istota tej technologii trwa nadal. Podobnie te eksploracje akceleratorów kwantowych i optycznych prawdopodobnie zakończą się jako przypisy w „następnej wielkiej rzeczy”.

Nauka o materiałach zbliża się do komputerów biologicznych, używając matematycznych struktur podobnych do DNA. Nanotechnologia i „programowalna materia” zbliżają 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 autorstwa Konstantina Lanzeta, Asci czerwony - tflop4m przez rząd USA - Sandia National Laboratories, DWave D2 przez The Vancouver Sun, DWave 128chip przez D-Wave Systems, Inc., Traveling Salesman Problem autorstwa Randall Munroe (XKCD)