Как работают оптические и квантовые компьютеры?

Реклама

История вычислений полна провалов.

Apple III имел неприятную привычку готовить сам в своей деформированной оболочке. Atari Jaguar«инновационная» игровая приставка, которая имела некоторые ложные утверждения о своей производительности, просто не могла захватить рынок. Флагманский чип Intel Pentium, разработанный для высокопроизводительных приложений учета, имел сложность с десятичными числами.

Но другой тип провала, который преобладает в мире вычислений, это СНИЖЕНИЯ измерение, которое долгое время называлось разумно справедливым сравнением различных машин, архитектур и систем.

FLOPS - это показатель операций с плавающей запятой в секунду. Проще говоря, это спидометр для компьютерной системы. И это было растет в геометрической прогрессии в течение десятилетий.

Так что, если я скажу вам, что через несколько лет у вас будет система, сидящая на вашем столе, или на вашем телевизоре, или на вашем телефоне, которая стерла бы пол современных суперкомпьютеров? Невероятный? Я сумасшедший? Посмотрите на историю, прежде чем судить.

Суперкомпьютер в Супермаркет

Недавний Intel i7 Haswell Так в чем же разница между процессорами Intel Haswell и Ivy Bridge?Ищете новый компьютер? Те, кто покупает новый ноутбук или настольный компьютер с процессором Intel, должны знать разницу между последним и последним поколением процессоров Intel. Прочитайте больше процессор может выполнять около 177 миллиардов FLOPS (GFLOPS), который быстрее, чем самый быстрый суперкомпьютер в США в 1994 году, Sandia National Labs XP / s140 с 3680 вычислительными ядрами, работающими вместе.

PlayStation 4 может работать со скоростью около 1,8 трлн флопс благодаря своей продвинутой Сотовая микроархитектураи превзошел бы $ 55 млн. ASCI Red суперкомпьютер, который возглавил мировую лигу суперкомпьютеров в 1998 году, почти за 15 лет до выпуска PS4.

IBM, Уотсон А.И. Система IBM раскрывает революционный "мозг на чипе"Объявленный на прошлой неделе в статье в Science, «TrueNorth» - это то, что известно как «нейроморфный чип» - компьютерный чип, предназначенный для имитации биологических нейронов, для использования в интеллектуальных компьютерных системах, таких как Уотсон. Прочитайте больше имеет (текущий) пиковая работа 80 TFLOPSи это далеко не близко к тому, чтобы включить его в список 500 лучших современных суперкомпьютеров, с Китайский Тяньхэ-2 возглавлял Топ-500 в последние 3 раза подряд с максимальной эффективностью 54,902 TFLOPS, или почти 55 Peta-FLOPS.

Большой вопрос, где следующий суперкомпьютер настольного размера Новейшие компьютерные технологии, которые вы должны увидеть, чтобы поверитьОзнакомьтесь с некоторыми из последних компьютерных технологий, которые призваны преобразить мир электроники и ПК в течение следующих нескольких лет. Прочитайте больше собирается прийти? И что более важно, когда мы это получим?

Еще один кирпич в силовой стене

В недавней истории движущие силы между этими впечатляющими успехами в скорости были в материаловедении и архитектурном дизайне; Производственные процессы меньших нанометровых размеров означают, что чипы могут быть тоньше, быстрее и выделять меньше энергии в виде тепла, что делает их более дешевыми в эксплуатации.

Кроме того, с развитием многоядерных архитектур в конце 2000-х многие «процессоры» теперь умещаются в одном чипе. Эта технология в сочетании с растущей зрелостью распределенных вычислительных систем, где многие «Компьютеры» могут работать как одна машина, это означает, что Top 500 постоянно рос, просто сохраняя идти в ногу с Знаменитый закон Мура.

Тем не менее законы физики начинают мешать всему этому росту, четное Intel беспокоится об этоми многие по всему миру ищут следующую вещь.

... примерно через десять лет мы увидим крах закона Мура. Фактически, мы уже видим замедление закона Мура. Мощность компьютера просто не может поддерживать быстрый экспоненциальный рост с использованием стандартной кремниевой технологии. - доктор Мичио Каку – 2012

Основная проблема с текущей схемой обработки состоит в том, что транзисторы либо включены (1), либо выключены (0). Каждый раз транзисторный затвор «Переворачивает», он должен изгонять определенное количество энергии в материал, из которого сделаны ворота, чтобы «перевернуться» остался. По мере того как эти затворы становятся все меньше и меньше, соотношение энергии для использования транзистора и энергия для «переворачивания» транзистора становится все больше и больше, создавая значительный нагрев и надежность проблемы. Существующие системы приближаются, а в некоторых случаях даже превышают, к исходной тепловой плотности ядерных реакторов, и материалы начинают выходить из строя их конструкторов. Это классически называется ‘Power Wall’.

В последнее время некоторые начали думать по-другому о том, как выполнять полезные вычисления. В частности, две компании привлекли наше внимание с точки зрения современных форм квантовых и оптических вычислений. канадец D-Wave Системы и в Великобритании Optalysys, которые оба имеют очень разные подходы к очень различным задачам.

Время менять музыку

В последнее время D-Wave получил большое количество прессы с их зловещим черным ящиком с очень остывшим охлаждением и чрезвычайно острым внутренним шипом в киберпанке, содержащим загадочный голый чип с трудными для воображения способностями.

По сути, система D2 использует совершенно другой подход к решению проблем, эффективно выбрасывая книгу причинно-следственных связей. Итак, на какие проблемы ориентируется этот гигант, поддерживаемый Google / NASA / Lockheed Martin?

Бродячий человек

Исторически, если вы хотите решить NP-Hard или Промежуточная проблематам, где существует чрезвычайно большое количество возможных решений, которые имеют широкий диапазон потенциала, с использованием «ценностей» классический подход просто не работает. Возьмем, к примеру, проблему коммивояжера; учитывая N-городов, найдите кратчайший путь, чтобы посетить все города один раз. Важно отметить, что TSP является основным фактором во многих областях, таких как производство микрочипов, логистика и даже секвенирование ДНК,

Но все эти проблемы сводятся к очевидному простому процессу; Выберите точку, с которой нужно начинать, создайте маршрут вокруг N «вещей», измерьте расстояние и, если существует маршрут, который короче его, откажитесь от предпринятого маршрута и переходите к следующему, пока не останется больше маршрутов к чек об оплате.

Это звучит легко, и для небольших значений это так; для 3 городов есть 3 * 2 * 1 = 6 маршрутов для проверки, для 7 городов - 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, что не так уж плохо для компьютера. Это Факториал последовательность, и может быть выражен как «N!», поэтому 5040 - это 7 !.

Однако к тому времени, когда вы пойдете немного дальше, чтобы посетить 10 городов, вам нужно протестировать более 3 миллионов маршрутов. К тому времени, как вы доберетесь до 100, количество маршрутов, которые вам нужно проверить, равно 9, а затем 157 цифры. Единственный способ взглянуть на функции такого рода - использовать логарифмический график, где ось Y начинается с 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3). ) и так далее.

Числа просто становятся слишком большими, чтобы их можно было обрабатывать на любой машине, которая существует сегодня или может существовать с использованием классических вычислительных архитектур. Но то, что делает D-Wave, совсем другое.

Везувий появляется

Чип Везувия в D2 использует около 500 ‘кубиты‘Или квантовые биты для выполнения этих расчетов с помощью метода, называемого Квантовый отжиг. Вместо того, чтобы измерять каждый маршрут за раз, кубиты Везувия переводятся в состояние суперпозиции (ни вкл, ни выкл, работающий вместе как вид потенциального поля) и ряд все более сложных алгебраических описаний решения (то есть ряд из гамильтониан описания решения, а не самого решения) применяются к полю суперпозиции.

По сути, система одновременно проверяет пригодность каждого потенциального решения, например, «решает», каким путем идти вниз по склону. Когда суперпозиция расслабляется в основное состояние, это основное состояние кубитов должно описывать оптимальное решение.

Многие задаются вопросом, какое преимущество дает система D-Wave по сравнению с обычным компьютером. В недавнем тестировании платформы против типичной проблемы Traveling Saleman, которая заняла 30 минут для классического компьютера, занял всего полсекунды на Везувий.

Однако, чтобы быть ясным, это никогда не будет системой, на которой вы играете в Doom. Некоторые комментаторы пытаются сравнить эту узкоспециализированную систему с процессором общего назначения. Вам было бы лучше сравнить Огайоподводная лодка с F35 Молния; любая метрика, которую вы выбираете для одной, настолько неприемлема для другой, что бесполезна.

D-Wave работает на несколько порядков быстрее для своих специфических проблем по сравнению со стандартным процессором и FLOPS оценки варьируются от относительно впечатляющие 420 GFLOPS на умопомрачительные 1,5 Peta-FLOPS (включение его в список 10 лучших суперкомпьютеров в 2013 году во время последнего публичного прототипа). Во всяком случае, это несоответствие подчеркивает начало конца FLOPS как универсальное измерение применительно к конкретным проблемным областям.

Эта область вычислений нацелена на очень специфический (и очень интересный) набор проблем. К сожалению, одна из проблем в этой сфере криптография Как зашифровать Gmail, Outlook и другую веб-почтуУчетные записи электронной почты содержат ключи к вашей личной информации. Вот как можно зашифровать Gmail, Outlook.com и другие почтовые учетные записи. Прочитайте больше - в частности, криптография с открытым ключом.

К счастью, реализация D-Wave, похоже, сфокусирована на алгоритмах оптимизации, и D-Wave приняла некоторые конструктивные решения (такие как иерархическая структура пиринга на чипе), которые указать, что вы не могли использовать Везувий, чтобы решить Алгоритм Шора, что потенциально может так плохо разблокировать интернет это сделало бы Роберта Редфорда гордым.

Лазерная математика

Вторая компания в нашем списке - Optalysys. Эта британская компания берет на себя вычисления и включает их с помощью аналоговой суперпозиции света для выполнения определенных классов вычислений с использованием самой природы света. Приведенное ниже видео демонстрирует некоторые общие сведения и основы системы Optalysys, представленные Профессор Хайнц Вольф.

Это немного волнительно, но по сути, это коробка, которая, надеюсь, однажды сядет на ваш стол и обеспечить вычислительную поддержку для моделирования, CAD / CAM и медицинской визуализации (и, может быть, просто может быть, компьютер игры). Как и в случае с Везувием, решение Optalysys не может выполнять задачи массовых вычислений, но это не то, для чего оно разработано.

Полезный способ думать об этом стиле оптической обработки - думать о нем как о физическом графическом процессоре (GPU). Современный GPU Познакомьтесь с графическим ускорителем в мельчайших деталях с помощью GPU-Z [Windows]Графический процессор, или графический процессор, является частью вашего компьютера, отвечающей за обработку графики. Другими словами, если игры нестабильны на вашем компьютере или они не могут обрабатывать очень качественные настройки, ... Прочитайте больше Параллельно используют множество потоковых процессоров, выполняя одни и те же вычисления для разных данных, поступающих из разных областей памяти. Эта архитектура стала естественным результатом того, как генерируется компьютерная графика, но эта массивно параллельная архитектура использовалась для всего, от высокочастотная торговля, чтобы Искусственные нейронные сети.

Optalsys принимает аналогичные принципы и переводит их в физическую среду; разделение данных становится расщеплением пучка, линейная алгебра становится квантовое вмешательствоФункции стиля MapReduce становятся системами оптической фильтрации. И все эти функции работают в постоянном, практически мгновенном, времени.

Первоначальное устройство-прототип использует элементарную сетку 20 Гц 500 × 500 для выполнения быстрых преобразований Фурье (в основном, «какие частоты появляются в этом входном потоке?») и дали неимоверный эквивалент из 40 GFLOPS. Разработчики нацелены на систему 340 GFLOPS Следующий год, что, учитывая предполагаемую потребляемую мощность, будет впечатляющим результатом.

Так где мой черный ящик?

история вычислений Краткая история компьютеров, которые изменили мирВы можете потратить годы на изучение истории компьютера. Есть множество изобретений, тонны книг о них - и это прежде, чем вы начнете изучать, что неизбежно происходит, когда ... Прочитайте больше показывает нам, что то, что изначально является резервом исследовательских лабораторий и государственных учреждений, быстро проникает в потребительское оборудование. К сожалению, история вычислений еще не сталкивалась с ограничениями законов физики.

Лично я не думаю, что D-Wave и Optalysys станут точными технологиями, которые мы будем иметь на наших рабочих столах через 5-10 лет. Считайте, что первым узнаваемым "Умные часы" был открыт в 2000 году и потерпел неудачу; но суть технологии продолжается и сегодня. Аналогичным образом, эти исследования ускорителей квантовых и оптических вычислений, вероятно, в конечном итоге станут сносками «следующей большой вещи».

Материаловедение приближается к биологические компьютеры, используя ДНК-подобные структуры для выполнения математики. Нанотехнологии и «Программируемый вопрос» приближается к тому моменту, когда вместо обработки «данных» сам материал будет содержать, представлять и обрабатывать информацию.

В общем, это дивный новый мир для вычислительного ученого. Как вы думаете, куда это все идет? Давайте поговорим об этом в комментариях!

Фото предоставлены:KL Intel Pentium A80501 Константин Ланцет, Аски красный - тфлоп4м правительством США - Национальные лаборатории Сандии, DWave D2 Ванкуверское Солнце, DWave 128chip D-Wave Systems, Inc., Задача коммивояжера Рэндалл Манро (XKCD)