Hogyan működnek az optikai és a kvantum számítógépek?

Hirdetés

A számítástechnika története tele van flopokkal.

Az Apple III csúnya szokása volt, hogy magát főzze deformált héjában. Az Atari Jaguar, egy „innovatív” játékkonzol, amelynek hamis állításai voltak a teljesítményéről, csak nem tudta megragadni a piacot. Az Intel kiemelkedő teljesítményű számviteli alkalmazásokhoz kifejlesztett Pentium chipjével rendelkezik nehézség a tizedes számokkal.

De a másik flop, amely a számítástechnika világában uralkodik, a papucsok mérés, hosszú ideig üdvözlendő, mint ésszerűen igazságos összehasonlítás a különböző gépek, architektúrák és rendszerek között.

A FLOPS a lebegőpontos mûveletek másodpercenkénti mértéke. Egyszerűen fogalmazva: ez a számítógépes rendszer sebességmérője. És az már volt évtizedek óta exponenciálisan növekszik.

Mi lenne, ha azt mondanám neked, hogy néhány év múlva az asztalán vagy a TV-jén, vagy a telefonján ül egy rendszer, amely megtisztítja a mai szuperszámítógépek padlóját? Hihetetlen? Őrült vagyok? Vessen egy pillantást a történelemre, mielőtt elítélné.

Szuperszámítógép a szupermarketbe

A legújabb Intel i7 Haswell Tehát mi a különbség az Intel Haswell és Ivy Bridge CPU-k között?Új számítógépet keres? Azoknak, akik új Intel-alapú laptopot vagy asztali számítógépet vásárolnak, tudniuk kell az Intel processzorok legújabb és legújabb generációs különbségeit. Olvass tovább A processzor kb 177 milliárd FLOPS (GFLOPS), amely gyorsabb, mint az Egyesült Államok 1994-es leggyorsabb szuperszámítógépe, Sandia National Labs XP / s140 3680 számítástechnikai maggal együtt dolgozva.

A PlayStation 4 fejlett technológiájának köszönhetően 1,8 billió FLOPS sebességgel képes működni Cella mikro-architektúra, és megcsapta volna a 55 millió dollár ASCI Red szuperszámítógép, amely 1998-ban, közel 15 évvel a PS4 megjelenése előtt tette a világ szuperszámítógép-bajnokságának tetejét.

IBM Watson AI rendszer Az IBM feltárja a forradalmian új "agy egy chipen"A múlt héten a Science cikkben bejelentett "TrueNorth" az úgynevezett "idegrendszeri chip" - biológiai idegsejtek utánozására tervezett számítógépes chip, intelligens számítógépes rendszerekben, pl Watson. Olvass tovább van (jelenlegi) csúcsteljesítmény 80 TFLOPS, és ez közel sem áll ahhoz, hogy belekerüljünk a mai szuperszámítógépek 500 legjobb listájába, a Kínai Tianhe-2 - az elmúlt 3 egymást követő alkalommal az 500 legmagasabb rangsorban, a csúcsteljesítmény pedig 10% 54,902 TFLOPS, vagyis közel 55 Peta-FLOPS.

A nagy kérdés az, hogy hol van a következő asztali méretű szuperszámítógép A legújabb számítógépes technológia, amelyet látnia kell, hogy elhiggyeNézze meg a legújabb számítógépes technológiákat, amelyek az elektronika és a PC-k világát átalakítják az elkövetkező néhány évben. Olvass tovább fogsz jönni? És ami még fontosabb: mikor kapjuk meg?

Egy másik tégla a hatalmi falban

A közelmúltban a lenyűgöző sebességnövekedések között a anyagtudományban és az építészet tervezésében hajtott erő; A kisebb nanométeres gyártási folyamatok azt jelentik, hogy a forgács vékonyabb, gyorsabb és kevesebb energiát szállíthat hő formájában, ami olcsóbbá teszi őket.

Ugyanakkor a többmagos architektúrák fejlesztésével a 2000-es évek végén sok „processzort” egy chipre nyomtak. Ez a technológia az elosztott számítási rendszerek növekvő érettségével kombinálva, ahol sok ilyen van A „számítógépek” egyetlen gépként működhetnek, vagyis az Top 500 mindig növekedett, csak a megtartásuk miatt ütemben Moore híres törvénye.

Azonban a a fizika törvényei kezdik akadályozni ezt a növekedést, még Az Intel aggódik amiatt, és szerte a világon sokan vadásznak a következő dologra.

Körülbelül tíz év múlva látjuk a Moore törvény összeomlását. Valójában már látjuk a Moore-törvény lelassulását. A számítógépes teljesítmény egyszerűen nem képes fenntartani a gyors exponenciális növekedést a szokásos szilícium technológia segítségével. - Dr. Michio Kaku – 2012

A jelenlegi feldolgozási tervezés alapvető problémája az, hogy a tranzisztorok be vannak kapcsolva (1) vagy ki (0). Minden alkalommal a tranzisztor kapu „Megfordul”, egy bizonyos mennyiségű energiát kell kiürítenie az anyagba, amelyből a kapu készül, hogy megkapja ezt a „megfordulást”. Mivel ezek a kapuk egyre kisebbek lesznek, a tranzisztor és az energiahordozó energiájának aránya megnő A tranzisztor átfordításához szükséges energia egyre nagyobb és nagyobb, ezáltal nagy melegítés és megbízhatóság érhető el problémákat. A jelenlegi rendszerek megközelítik - és bizonyos esetekben meghaladják - a nukleáris reaktorok nyers hősűrűségét, és az anyagok kezdik megbukni a tervezőiknél. Ezt klasszikusan hívják „Erőfal”.

Az utóbbi időben néhányan másképp gondolkodtak azon, hogy hogyan lehet hasznos számításokat végezni. Különösen két vállalat vonta fel a figyelmünket a kvantum- és optikai számítástechnika fejlett formáira. kanadai D-Wave rendszerek és az Egyesült Királyságban Optalysys, akiknek mindkettő rendkívül eltérő megközelítést alkalmaz a nagyon különböző problémákra.

Ideje megváltoztatni a zenét

A D-Wave sok sajtót kapott az utóbbi időben, a szuperhűtött baljós fekete dobozukkal, rendkívül cyberpunk belső tüskéjével, amely rejtélyes meztelen chipet tartalmaz, nehezen elképzelhető erővel.

A D2 rendszer lényegében egy teljesen más megközelítést alkalmaz a problémamegoldásban azáltal, hogy hatékonyan dobja ki az ok-okozati szabálykönyvet. Szóval milyen problémákat céloz ez a Google / NASA / Lockheed Martin által támogatott behemoth?

The Rambling Man

Történelmileg, ha meg akar oldani egy NP-kemény vagy közepes probléma, ahol rendkívül sok olyan megoldás létezik, amelyek széles skálával rendelkeznek, az „értékek” használata a klasszikus megközelítésnek egyszerűen nem működik. Vegyük például az utazó eladó problémáját; adott N-városok alapján keresse meg a legrövidebb utat, hogy egyszerre meglátogassa az összes várost. Fontos megjegyezni, hogy a TSP számos területen fontos tényező, például a mikrochip gyártás, a logisztika és akár a DNS szekvenálás,

De ezek a problémák egy látszólag egyszerű folyamathoz vezetnek; Válasszon egy kezdőpontot, generáljon egy útvonalat az N 'dolgok' környékén, mérje meg a távolságot, és ha van ilyen egy rövidebb útvonalon, dobja el a megpróbált útvonalat, és folytassa a következőt, amíg nincs több útvonal ehhez jelölje be.

Ez egyszerűen hangzik, és kis értékek esetén is; 3 városban 3 * 2 * 1 = 6 útvonal van ellenőrizhető, 7 városban 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, ami nem túl rossz, hogy egy számítógép kezelje. Ez egy Faktoriális szekvencia, és kifejezhető „N!” -ként, tehát az 5040 7 !.

Mire azonban egy kicsit tovább menne 10 meglátogatandó városba, több mint 3 millió útvonalat kell tesztelnie. Mire eléri a 100-at, az ellenőrzendő útvonalak száma 9, amelyet követ 157 számjegy. Az ilyen típusú függvények egyetlen módja a logaritmikus gráf felhasználása, ahol az y tengely 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3) indul. ) stb.

A számok túl nagyokká válnak ahhoz, hogy ésszerűen feldolgozható legyen minden olyan gépen, amely ma létezik, vagy létezhet klasszikus számítási architektúrákkal. De mit csinál a D-Wave, nagyon különböző.

Vesuvius emerges

A Vesuvius chip a D2 mintegy 500 'qubit'Vagy Quantum Bits, hogy ezeket a számításokat úgynevezett módszerrel hajtsa végre Quantum lágyítás. Az egyes útvonalak egyenkénti mérése helyett a Vezúv Qubits-ot szuperpozíciós állapotba állítják (sem be, sem ki, működés közben) együtt egyfajta potenciális mezőként) és a megoldás egyre összetettebb algebrai leírásainak sorozatát (azaz egy sorozatot) nak,-nek Hamilton a megoldás leírását, nem magát a megoldást) alkalmazzák a szuperpozíció mezőre.

Valójában a rendszer egyszerre teszteli minden lehetséges megoldás alkalmasságát, mint például egy golyó, amely „dönt” arról, hogy miként kell lemenni egy dombról. Ha a szuperpozíciót alapállapotba lazítják, akkor a kvbitok alapállapotának le kell írnia az optimális megoldást.

Sokan megkérdőjelezték, hogy a D-Wave rendszer milyen előnyökkel jár a hagyományos számítógéphez képest. A platformon egy nemrégiben végzett tesztelés során, amely egy tipikus utazó eladó-probléma elleni küzdelemhez vezetett, amely 30 percet vett igénybe egy klasszikus számítógépnél, mindössze fél másodpercet tett a Vezúvra.

Mindazonáltal, egyértelmű, hogy ez soha nem lesz olyan rendszer, amelyen Doomot játsszuk. Egyes kommentátorok megpróbálják hasonlítsa össze ezt a rendkívül speciális rendszert egy általános célú processzorral. Jobb lenne összehasonlítani egy Ohioosztályú tengeralattjáró a F35 Villám; az egyikhez kiválasztott mutató annyira alkalmatlan a másikra, hogy haszontalan.

A D-Wave több nagyságrenddel gyorsabban bekapcsol saját problémáira, mint egy normál processzor és a FLOPS becslések között mozog egy viszonylag lenyűgöző 420 GFLOPS egy elgondolkodtató 1.5 Peta-FLOPS-ra (Bekerülve a 2013-as 10 szuperszámítógép listájába, az utolsó nyilvános prototípus idején). Ha van ilyen, ez az eltérés kiemeli a FLOPS vége elejét, mint egyetemes mérést, amikor azt konkrét problémás területekre alkalmazzák.

A számítás ezen területének egy nagyon specifikus (és nagyon érdekes) problémákra van szüksége. Aggódóan ezen a szférán belül az egyik probléma a következő kriptográfia A Gmail, az Outlook és az egyéb webmail titkosításaAz e-mail fiókok tartják a személyes adatainak kulcsait. Így titkosíthatja a Gmail, az Outlook.com és más e-mail fiókokat. Olvass tovább - kifejezetten a nyilvános kulcsú kriptográfia.

Szerencsére a D-Wave megvalósítása az optimalizálási algoritmusokra összpontosít, és a D-Wave néhány olyan tervezési döntést hozott (például a chip hierarchikus társviszonyának felépítését), amelyek jelölje meg, hogy nem tudta használni a Vezúvust megoldani Shor algoritmusa, amely potenciálisan annyira felszabadíthatja az internetet Robert Redford büszke lenne.

Lézer matematika

A listánk második vállalkozása az Optalysys. Ez az egyesült királyságbeli társaság számítástechnikát készít és fejére fordítja a fény analóg szuperpozícióját, hogy bizonyos számítási osztályokat a fény természetének felhasználásával végezzen. Az alábbiakban bemutatjuk az Optalysys rendszer néhány hátterét és alapjait Prof. Heinz Wolff.

Kicsit kézzel hullámos, de lényegében egy doboz, amely remélhetőleg egy nap az asztalán ül és számítási támogatást nyújt a szimulációkhoz, a CAD / CAM-hoz és az orvosi képalkotáshoz (és talán, csak talán, a számítógéphez) játékok). A Vesuviushoz hasonlóan semmi esetre nem áll módjában az Optalysys megoldás elvégezni a mainstream számítógépes feladatokat, de erre nem tervezték.

Az optikai feldolgozás e stílusának gondolkodásának hasznos módja az, hogy úgy gondoljon rá, mint egy fizikai grafikus feldolgozó egység (GPU). Modern GPU Ismerkedjen meg a grafikus gyorsítóval, kivételes részletekkel a GPU-Z segítségével [Windows]A GPU, vagy a grafikus feldolgozó egység a számítógép azon része, amely felelős a grafika kezeléséért. Más szavakkal, ha a játékok repedések vannak a számítógépén, vagy nem képes kezelni a nagyon magas színvonalú beállításokat, ... Olvass tovább Sok sok streaming processzort használ párhuzamosan, ugyanazt a számítást hajtja végre a memória különböző területein érkező különböző adatokra. Ez az architektúra a számítógépes grafika előállításának természetes eredménye volt, ám ezt a tömegesen párhuzamos architektúrát már mindentől kezdve felhasználták nagyfrekvenciás kereskedelem, nak nek Mesterséges idegi hálózat.

Az Optalsys hasonló alapelveket vesz át, és fizikai közegbe konvertálja azokat; az adatok particionálása fénysűrűssé válik, a lineáris algebra pedig kvantumos interferencia, A MapReduce stílusú funkciói optikai szűrőrendszerekké válnak. És ezek a funkciók állandó, ténylegesen pillanatnyi idő alatt működnek.

A kezdeti prototípus eszköz 20Hz 500 × 500 elemrácsot használ a gyors Fourier-átalakítások végrehajtására (alapvetően: „milyen frekvenciák jelennek meg ebben a bemeneti adatfolyamban?”), és alulhordozó ekvivalenst adott nak,-nek 40 GFLOPS. A fejlesztők egy 340 GFLOPS rendszert céloznak meg következő év, amely figyelembe véve a becsült energiafogyasztást, lenyűgöző eredmény lesz.

Szóval hol van a fekete dobozom?

Az számítástechnika története A világot megváltoztató számítógépek rövid történeteÉveket tölthet a számítógép történetének megragadásával. Rengeteg találmány van, rengeteg könyv van róluk - és ez még azelőtt, hogy elkezdené az ujjbe mutatást, ez elkerülhetetlenül akkor fordul elő, amikor ... Olvass tovább megmutatja nekünk, hogy az a kezdeti kutatólaboratóriumok és kormányzati ügynökségek tartaléka gyorsan bekerül a fogyasztói hardverbe. Sajnos a számítástechnika történetében még nem kellett foglalkoznia a fizikai törvények korlátozásával.

Személy szerint nem hiszem, hogy a D-Wave és az Optalysys lesznek azok a pontos technológiák, amelyek 5-10 év múlva állnak az asztalunkon. Vegye figyelembe, hogy az első felismerhető "Okos óra" 2000-ben mutatták be, és szerencsétlenül kudarcot vallottak; de a technológia lényege ma is folytatódik. Hasonlóképpen, ezek a kvantum- és optikai számítástechnikai gyorsítók felfedezései valószínűleg lábjegyzetekké válnak a „következő nagy dologban”.

Az anyagtudomány közelebb áll a biológiai számítógépek, DNS-szerű struktúrákat használva a matematika elvégzéséhez. Nanotechnológia és „Programozható anyag” megközelíti a pontot, és nem az „adatok” feldolgozása, hanem az anyag is tartalmaz, képviseli és dolgozza fel az információkat.

Mindent összevetve, ez egy bátor új világ egy számítástechnikai tudós számára. Szerinted hol megy ez? Beszéljünk róla a megjegyzésekben!

Fotók:KL Intel Pentium A80501 szerző: Konstantin Lanzet, Asci red - tflop4m az Egyesült Államok kormánya által - Sandia National Laboratories, DWave D2 készítette: The Vancouver Sun, DWave 128chip készítette: D-Wave Systems, Inc., Utazó eladó probléma Randall Munroe (XKCD)