Kako djeluju optička i kvantna računala?

Oglas

Povijest računarstva puna je Flops-a.

Jabuka III imao je gadnu naviku kuhanja sebe u svojoj deformiranoj ljusci. Atari Jaguar, 'inovativna' igraća konzola koja je imala lažne tvrdnje o svom performansu, jednostavno nije mogla zahvatiti tržište. Intelov vodeći čip Pentium dizajniran za računovodstvene aplikacije visokih performansi poteškoće s decimalnim brojevima.

Ali druga vrsta flopa koja prevladava u svijetu računanja je promašaja mjerenja, dugo pozvanu kao razumna pravedna usporedba između različitih strojeva, arhitektura i sustava.

FLOPS je mjera operacija s plutajućom tačkom u sekundi. Jednostavno rečeno, to je brzinomjer za računalni sustav. I bilo je raste eksponencijalno desetljećima.

Pa što ako vam kažem da ćete za nekoliko godina imati sustav koji sjedi na vašem stolu, televizoru ili telefonu koji bi obrisao pod današnjim superračunalima? Nevjerojatan? Ja sam luđak? Pogledajte povijest prije nego što presudite.

Superračunalo do Supermarketa

Nedavni Intel i7 Haswell Kakva je onda razlika između Intelovih Haswell i Ivy Bridge CPU-a?

Tražite novo računalo? Oni koji kupuju novo prijenosno računalo ili stolno računalo s Intelom moraju znati razlike između zadnje i posljednje generacije Intelovih procesora. Čitaj više procesor može obavljati oko 177 milijardi FLOPS (GFLOPS), što je brže od najbržeg superračunala u SAD-u, 1994 Sandia National Labs XP / s140 s 3.680 računalnih jezgara koje rade zajedno.

PlayStation 4 može raditi na približno 1,8 trilijuna FLOPS-a zahvaljujući svom naprednom Stanična mikro-arhitektura, i trubio bi 55 milijuna dolara ASCI crveno superračunalo koje je 1998. na vrhu svjetske lige superračunala, gotovo 15 godina prije puštanja PS4.

IBM Watson AI sustav IBM otkrio revolucionarni "Mozak na čipu"Najavljen prošlog tjedna putem članka u Scienceu, "TrueNorth" je ono što je poznato kao "neuromorfni čip" - računalni čip dizajniran za imitaciju bioloških neurona, za upotrebu u inteligentnim računalnim sustavima poput Watson. Čitaj više ima (trenutno) maksimalan rad 80 TFLOPS, i to je ni blizu tako da ga uvrstimo na Top 500 listu današnjih superračunala, sa Kineski Tianhe-2 vodeći Top 500 u posljednja 3 uzastopna slučaja, s vrhunskim učinkom 54,902 TFLOPS, ili gotovo 55 Peta-FLOPS.

Veliko je pitanje gdje je sljedeći stolno superračunalo Najnovija računalna tehnologija u koju morate vjerovatiPogledajte neke od najnovijih računalnih tehnologija koje su postavljene da transformišu svijet elektronike i osobnih računala u sljedećih nekoliko godina. Čitaj više doći će? I još važnije, kada to dobivamo?

Još jedna opeka u zidu moći

U novijoj povijesti pokretačke snage između ovih impresivnih brzinskih postignuća bile su u dizajnu znanosti i arhitekture; manji postupci proizvodnje manjih razmjera nanometara znače da čips može biti tanji, brži i istjerati manje energije u obliku topline, što ih čini jeftinijim za pokretanje.

Također, s razvojem arhitekture više jezgara tijekom kraja 2000-ih, mnogi su "procesori" sada stisnuti na jedan čip. Ova tehnologija, u kombinaciji s povećanjem zrelosti distribuiranih računaskih sustava, gdje ih je mnogo 'Računala' mogu raditi kao jedan stroj, što znači da je Top 500 uvijek bio u porastu, samo o zadržavanju tempo sa Mooreov poznati zakon.

Međutim zakoni fizike počinju dobivati ​​na putu cijelog ovog rasta, čak Intel je zabrinut zbog toga, a mnogi diljem svijeta traže lov na sljedeću stvar.

... za otprilike deset godina ili nešto više, vidjet ćemo urušavanje Mooreovog zakona. Zapravo već primjećujemo usporavanje Mooreovog zakona. Snaga računala jednostavno ne može održati svoj eksponencijalni uspon koristeći standardnu ​​silicijumsku tehnologiju. - Dr. Michio Kaku – 2012

Temeljni problem trenutnog dizajna je da su tranzistori ili uključeni (1) ili isključeni (0). Svaki put a tranzistorska vrata "Okreće", mora izbaciti određenu količinu energije u materijal od kojeg se izrađuju vrata da bi taj "preokret" ostao. Kako se ta vrata smanjuju i smanjuju, omjer energije za korištenje tranzistora i energija za "okretanje" tranzistora postaje sve veća i veća, stvarajući veliko zagrijavanje i pouzdanost problemi. Trenutni sustavi se približavaju - a u nekim slučajevima i prelaze - sirovoj gustoći topline nuklearnih reaktora, a materijali počinju nedostajati svojim dizajnerima. To se klasično naziva 'Power Wall'.

U posljednje vrijeme neki su počeli drugačije razmišljati o tome kako izvesti korisne račune. Dvije tvrtke su posebno privukle našu pažnju u pogledu naprednih oblika kvantnog i optičkog računanja. kanadski D-Wave sustavi sa sjedištem u Velikoj Britaniji Optalysys, koji imaju vrlo različite pristupe vrlo različitim problemima.

Vrijeme je za promjenu glazbe

D-Wave je u posljednje vrijeme dobio dosta tiska, sa svojom super ohlađenom zloslutnom crnom kutijom s izrazito cyberpunk unutarnjim šiljkom, koja sadrži zagonetni goli čip s teško zamislivim moćima.

U osnovi, D2 sustav koristi potpuno drugačiji pristup rješavanju problema tako što učinkovito izbacuje pravilnik o uzrocima i posljedicama. Dakle, kakve probleme ima ovaj Google / NASA / Lockheed Martin koji podržava behemoth?

Čovjek koji se divlja

Ako povijesno želite riješiti NP-tvrdi ili srednji problem, gdje postoji izuzetno velik broj mogućih rješenja koja imaju širok raspon potencijala, koristeći "vrijednosti", klasični pristup jednostavno ne funkcionira. Uzmimo za primjer problem Putničkog prodavača; s obzirom na N-gradove, pronađite najkraći put da posjetite sve gradove jednom. Važno je napomenuti da je TSP glavni čimbenik u mnogim područjima kao što su proizvodnja mikročipa, logistika, pa čak i sekvenciranje DNK,

Ali svi ti problemi svode se na prividno jednostavan postupak; Odaberite točku koja će se početi od, generirajte rutu oko N ', izmjerite udaljenost i ako postoje rute koja je kraća od nje, odbacite pokušani put i prijeđite na sljedeću dok nema više ruta ček.

To zvuči lako, a za male vrijednosti jest; za 3 grada postoje 3 * 2 * 1 = 6 ruta za provjeru, za 7 gradova postoji 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, što nije loše za računalo. Ovo je Faktorijel slijed i može se izraziti s "N!", pa je 5040 7 !.

Međutim, ako idete samo malo dalje, do 10 gradova koje ćete posjetiti, trebate testirati preko 3 milijuna ruta. Do trenutka kada stignete do 100, slijedi broj ruta koje trebate provjeriti 157 znamenki. Jedini način da se gledaju na ove vrste funkcija je korištenje logaritamskog grafikona, pri čemu y os počinje s 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3) ) i tako dalje.

Brojevi postaju preveliki da bismo ih mogli razumno obraditi na bilo kojem stroju koji danas postoji ili može postojati koristeći klasične računalne arhitekture. Ali ono što radi D-Wave vrlo je različito.

Vezuv izlazi

Čip Vesuvius u D2 koristi oko 500 'kvantnih bitova'Ili Kvantni bitovi za izvođenje tih izračuna pomoću metode zvane Kvantno žarenje. Umjesto mjerenja svake rute odjednom, Vesuviusovi Qubiti postavljeni su u stanje superpozicije (ni uključeno ni isključeno, djelujući zajedno kao vrsta potencijalnog polja) i niz sve složenijih algebričnih opisa rješenja (tj. serija od hamiltonijana opisi rješenja, a ne samo rješenje) primjenjuju se na polje superpozicije.

U stvari, sustav istodobno testira prikladnost svakog potencijalnog rješenja, poput lopte koja 'odlučuje' koji će se način spustiti niz brdo. Kad se superpozicija opušta u osnovno stanje, to prizemno stanje qubita treba opisati optimalno rješenje.

Mnogi su se pitali koliku prednost D-Wave sustav daje u odnosu na konvencionalno računalo. U nedavnom testu platforme protiv tipičnog Travelman Saleman Problema, kojem je za klasično računalo trebalo 30 minuta, trebalo je samo pola sekunde na Vesuviusu.

Međutim, da budemo jasni, to nikada neće biti sustav na kojem igrate Doom. Neki komentatori to pokušavaju usporedite ovaj visoko specijalizirani sustav s procesorom opće namjene. Bilo bi vam bolje da uspoređujete an Ohio-razred podmornica s F35 Munja; bilo koja mjerna vrijednost koju odaberete za jednu toliko je neprikladna za drugu da je beskorisna.

D-Wave kraće za nekoliko reda veličine radi svojih specifičnih problema u odnosu na standardni procesor i FLOPS procjene se kreću od relativno impresivnih 420 GFLOPS-a na fantastičnih 1.5 Peta-FLOPS-a (Stavljajući ga u Top 10 popis superračunala u 2013. u vrijeme posljednjeg javnog prototipa). Ako ništa drugo, taj nesrazmjer ističe početak kraja FLOPS-a kao univerzalno mjerenje kada se primjenjuje na specifična problematična područja.

Ovo područje računanja usmjereno je na vrlo specifičan (i vrlo zanimljiv) niz problema. Zabrinjavajući, jedan je problem unutar ove sfere kriptografija Kako šifrirati Gmail, Outlook i drugu web-poštuRačuni e-pošte drže ključeve vaših osobnih podataka. Evo kako šifrirati Gmail, Outlook.com i druge račune pošte. Čitaj više - posebno kriptografija s javnim ključem.

Srećom, implementacija D-Wavea čini se usredotočena na algoritme optimizacije, a D-Wave je donio neke dizajnerske odluke (poput hijerarhijske peering strukture na čipu) koje naznačite da niste mogli koristiti Vezuv koji treba riješiti Kratki algoritam, što bi potencijalno moglo tako loše otključati Internet postalo bi Robert Redford ponosan.

Laserska matematika

Druga kompanija na našoj listi je Optalysys. Ova tvrtka sa sjedištem u Velikoj Britaniji uzima računarstvo i okreće ga glavom koristeći analogni superpozicij svjetla za obavljanje određenih klasa računanja koristeći prirodu samog svjetla. Video u nastavku prikazuje neke pozadine i osnove sustava Optalysys, koji je predstavio Prof. Heinz Wolff.

To je malo mahanja rukom, ali u osnovi, to je kutija koja će, nadamo se, jednog dana sjesti za vaš stol i pružiti računarsku podršku za simulacije, CAD / CAM i medicinsko snimanje (i možda, samo možda, računalo) igre). Poput Vezuva, nema šanse da rješenje Optalysys izvršava glavne računske zadatke, ali to nije ono što je dizajnirano.

Korisni način razmišljanja o ovom stilu optičke obrade jest razmišljati o njemu kao o fizičkoj jedinici za grafičku obradu (GPU). Moderni GPU Upoznajte svoj grafički akcelerator u dosadnim detaljima s GPU-Z [Windows]GPU, odnosno jedinica za obradu grafike, dio je vašeg računala zaduženog za rukovanje grafikom. Drugim riječima, ako se igre slažu na vašem računalu ili ne mogu podnijeti vrlo kvalitetne postavke, ... Čitaj više Koristi paralelno mnoštvo mnogih procesora za strujanje i izvođenja istih računanja na različitim podacima koji dolaze iz različitih područja memorije. Ta je arhitektura došla kao prirodni rezultat načina na koji se generira računalna grafika, ali ova se masovno paralelna arhitektura koristi za sve iz čega trgovanje na visokoj frekvenciji, na Umjetne neuronske mreže.

Optalsys ima slična načela i prevodi ih u fizički medij; podjela podataka postaje cijepanje snopa, linearna algebra postaje kvantna interferencija, Funkcije u stilu MapReduce postaju optički filtriranje. I sve ove funkcije djeluju u neprekidnom, efektivno trenutnom vremenu.

Početni prototip uređaj koristi 20Hz 500 × 500 elemenata za izvođenje brzih Fourierovih transformacija (u osnovi, „koje se frekvencije pojavljuju u ovom ulaznom toku?“) i donijele su jednaku prednost od 40 GFLOPS. Programeri ciljaju sustav 340 GFLOPS slijedeće godine, što bi s obzirom na procijenjenu potrošnju električne energije bilo impresivna ocjena.

Pa gdje je moja crna kutija?

povijest računalstva Kratka povijest računala koja su promijenila svijetMožete provesti godine uranjajući u povijest računala. Postoje tisuće izuma, tona knjiga o njima - i to je prije nego što započnete upadati u prst koji se neminovno događa kada ... Čitaj više pokazuje nam da ono što je u početku rezerva istraživačkih laboratorija i vladinih agencija brzo ulazi u hardver za potrošače. Nažalost, povijest računanja još se nije morala baviti ograničenjima zakona fizike.

Osobno, mislim da D-Wave i Optalysys neće biti točne tehnologije koje imamo na našim stolovima za 5-10 godina. Smatrajte da je prvi prepoznatljiv "Pametni sat" otkriven je 2000. godine i propao je bijedno; ali suština tehnologije nastavlja se i danas. Isto tako, ova će istraživanja u Quantum i Optical računskim akceleratorima vjerojatno završiti kao fusnote u „sljedećoj velikoj stvari“.

Znanost o materijalima sve je bliža biološka računala, koristeći strukture slične DNA za izvođenje matematike. Nanotehnologija i 'Programirajuća materija' približava se točki, a ne obrađuje 'podatke', sam materijal će sadržavati, predstavljati i obrađivati ​​informacije.

Sve u svemu, to je hrabar novi svijet za računalnog znanstvenika. Što mislite, kuda to ide? Razgovarajmo o tome u komentarima!

Krediti za fotografije:KL Intel Pentium A80501 Konstantin Lanzet, Asci crveni - tflop4m američka vlada - Sandia National Laboratories, DWave D2 autor Vancouver Sun, DWave 128chip od D-Wave Systems, Inc., Problem putničkog prodavca napisao Randall Munroe (XKCD)