Jak fungují optické a kvantové počítače?

reklama

Výpočtová historie je plná flopů.

Apple III měl ve své deformované skořápce nepříjemný zvyk. Atari Jaguar, „inovativní“ herní konzole, která měla nějaké podivné nároky na její výkon, prostě nemohla chytit trh. Vlajková loď Intel Pentium určená pro vysoce výkonné účetní aplikace potíže s desetinnými čísly.

Ale další druh flopu, který převládá ve světě výpočetní techniky, je FLOPS měření, dlouho považované za přiměřeně spravedlivé srovnání různých strojů, architektur a systémů.

FLOPS je míra operací s pohyblivou řádovou čárkou za sekundu. Jednoduše řečeno, je to rychloměr pro výpočetní systém. A bylo to exponenciálně roste po celá desetiletí.

Co kdybych vám řekl, že za pár let budete mít na stole nebo v televizi nebo v telefonu systém, který by utřel podlahu dnešních superpočítačů? Neuvěřitelný? Jsem šílenec? Než se rozhodnete, podívejte se na historii.

Superpočítač do supermarketu

Nedávný Intel i7 Haswell Jaký je tedy rozdíl mezi procesory Intel Haswell a Ivy Bridge?Hledáte nový počítač? Ti, kteří nakupují nový notebook nebo stolní počítač s procesorem Intel, musí znát rozdíly mezi poslední a nejnovější generací procesorů Intel.

Přečtěte si více procesor může provádět asi 177 miliard FLOPS (GFLOPS), který je rychlejší než nejrychlejší superpočítač v USA v roce 1994, Sandia National Labs XP / s140 s 3 680 výpočetními jádry spolupracujícími.

PlayStation 4 může díky své pokročilé operaci přibližně 1,8 bilionu FLOPS Buněčná mikro-architektura, a byl by trumf 55 milionů dolarů ASCI Red superpočítač, který vrcholil celosvětovou superpočítačovou ligu v roce 1998, téměř 15 let před propuštěním PS4.

IBM Systém Watson AI IBM odhaluje revoluční „mozek na čipu“„TrueNorth“, které bylo oznámeno minulý týden prostřednictvím článku ve vědě, je tzv. Neuromorfní čip - počítačový čip určený k napodobování biologických neuronů, pro použití v inteligentních počítačových systémech, jako jsou Watson. Přečtěte si více má (aktuální) špičkový provoz 80 TFLOPSa to není ani zdaleka tak blízko k tomu, že bychom ho mohli zapsat do seznamu 500 nejlepších dnešních superpočítačů Čínská Tianhe-2 v posledních 3 po sobě jdoucích žebříčcích Top 500, se špičkovým výkonem 54,902 TFLOPS, nebo téměř 55 Peta-FLOPS.

Velkou otázkou je, kde je další stolní superpočítač Nejnovější počítačové technologie, které musíte vidět, abyste uvěřiliPodívejte se na některé z nejnovějších počítačových technologií, které jsou připraveny transformovat svět elektroniky a počítačů v příštích několika letech. Přečtěte si více pocházíš? A co je důležitější, kdy to dostáváme?

Další Cihla v Power Wall

V nedávné historii byly hnací síly mezi těmito působivými zisky v oblasti vědy o materiálech a designu architektury; menší výrobní procesy v měřítku nanometrů znamenají, že čipy mohou být tenčí, rychlejší a odvádějí méně energie ve formě tepla, což z nich činí provoz levnější.

S vývojem vícejádrových architektur koncem roku 2000 je také mnoho „procesorů“ vytlačeno na jediný čip. Tato technologie v kombinaci se zvyšující se zralostí distribuovaných výpočetních systémů, kde je mnoho „Počítače“ mohou fungovat jako jeden stroj, což znamená, že Top 500 vždy roste, jen pokud jde o udržování tempo s Mooreův slavný zákon.

Nicméně, fyzikální zákony se začínají bránit tomuto růstu, dokonce Intel se toho obává, a mnozí z celého světa hledají další věc.

... asi za deset let uvidíme zhroucení Mooreova zákona. Ve skutečnosti již vidíme zpomalení Mooreova zákona. Výkon počítače jednoduše nedokáže udržet svůj rychlý exponenciální nárůst pomocí standardní technologie křemíku. - Dr. Michio Kaku – 2012

Základním problémem současného návrhu zpracování je, že tranzistory jsou buď zapnuté (1) nebo vypnuté (0). Pokaždé a tranzistorová brána „Převrátí“, musí vytlačit určité množství energie do materiálu, z něhož je brána vyrobena, aby zajistila, že „převrácení“ zůstane. Jak se tyto brány zmenšují a zmenšují, poměr mezi energií k použití tranzistoru a energie pro „převrácení“ tranzistoru se zvětšuje a zvětšuje, čímž vytváří velké vytápění a spolehlivost problémy. Současné systémy se blíží - a v některých případech překračují - hustotu surového tepla jaderných reaktorů a materiály začínají selhávat jejich konstruktéři. Toto se klasicky nazývá „Power Wall“.

V poslední době někteří začali přemýšlet jinak o tom, jak provádět užitečné výpočty. Obzvláště dvě společnosti upoutaly naši pozornost, pokud jde o pokročilé formy kvantové a optické výpočetní techniky. kanadský D-Wave systémy a ve Velké Británii Optalysys, kteří oba mají velmi odlišné přístupy k velmi odlišným souborům problémů.

Čas změnit hudbu

D-Wave dostal v poslední době hodně tisku, s jejich super chlazenou zlověstnou černou skříňkou s extrémně kyberpunkovým vnitřním hrotem, obsahující záhadný nahý čip s těžko představitelnými schopnostmi.

Systém D2 v podstatě zaujímá zcela odlišný přístup k řešení problémů tím, že efektivně vyhodí knihu pravidel příčin a následků. Jaký problém tedy podporuje Google / NASA / Lockheed Martin s cílem zaměřit se na sebe?

Rambling Man

Historicky, pokud chcete vyřešit NP-Hard nebo Intermediate problém, kde existuje extrémně vysoký počet možných řešení, která mají širokou škálu možností, použití hodnot „klasický“ prostě nefunguje. Vezměte si například problém Traveling Salesman; vzhledem k N-městům najděte nejkratší cestu k návštěvě všech měst jednou. Je důležité si uvědomit, že TSP je hlavním faktorem v mnoha oblastech, jako je výroba mikročipů, logistika a dokonce i sekvenování DNA,

Ale všechny tyto problémy se scvrkávají na zjevně jednoduchý proces; Vyberte bod, od kterého chcete začít, vygenerujte trasu kolem N 'věcí', změřte vzdálenost a pokud existuje trasa, která je kratší než ta, zlikvidujte pokus o trasu a pokračujte k další, dokud již nebudou žádné další trasy šek.

Zní to jednoduše a pro malé hodnoty to je; pro 3 města existuje 3 * 2 * 1 = 6 tras ke kontrole, pro 7 měst je 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, což není pro počítač příliš špatné. Toto je Factorial a lze ji vyjádřit jako „N!“, takže 5040 je 7 !.

Než se však vydáte o něco dále, do 10 měst, která chcete navštívit, musíte vyzkoušet přes 3 miliony tras. Než se dostanete na 100, počet tras, které musíte zkontrolovat, je 9 následovaných 157 číslice. Jediným způsobem, jak se podívat na tyto druhy funkcí, je použití logaritmického grafu, kde osa y začíná u 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3) ) a tak dále.

Čísla jsou příliš velká na to, aby dokázala přiměřeně zpracovat na jakémkoli stroji, který dnes existuje nebo může existovat pomocí klasických výpočetních architektur. Ale to, co D-Wave dělá, je velmi odlišné.

Vesuvius Emerges

Vesuv v čipu D2 používá přibližně 500 ‘qubits‘Nebo Quantum Bits k provedení těchto výpočtů pomocí metody nazývané Kvantové žíhání. Spíše než měření každé trasy najednou jsou Vesuvius Qubits nastaveny do superpozičního stavu (ani zapnuto, ani vypnuto, funkční společně jako druh potenciálního pole) a řadu stále komplexnějších algebraických popisů řešení (tj. série z Hamiltonian popisy řešení, nikoliv samotné řešení) se použijí na pole superpozice.

Ve skutečnosti systém testuje vhodnost každého potenciálního řešení současně, jako například „rozhodování“ míče, jak jít dolů z kopce. Když je superpozice uvolněna do základního stavu, měl by tento základní stav qubitů popsat optimální řešení.

Mnoho z nich se ptalo, jakou výhodu má systém D-Wave oproti konvenčnímu počítači. V nedávném testu platformy proti typickému problému Traveling Saleman, který trval 30 minut u klasického počítače, trvalo jen půl vteřiny na Vesuvu.

Abychom si ale byli jisti, nikdy to nebude systém, na kterém hrajete Doom. Někteří komentátoři se snaží porovnejte tento vysoce specializovaný systém s univerzálním procesorem. Bylo by lepší, kdybyste porovnávali Ohio-třída ponorky s F35 Blesk; každá metrika, kterou vyberete, je pro druhou tak nevhodná, že je zbytečná.

D-Wave pracuje rychleji ve svých řádech o několik řádů rychleji ve srovnání se standardním procesorem a FLOPS odhady jsou v rozsahu od relativně působivých 420 GFLOPS na neuvěřitelných 1,5 Peta-FLOPS (zařazení do seznamu 10 nejlepších superpočítačů v roce 2013 v době posledního veřejného prototypu). Tato nerovnoměrnost zdůrazňuje začátek konce FLOPS jako univerzální měření, když je aplikována na specifické problémové oblasti.

Tato oblast výpočetní techniky je zaměřena na velmi specifický (a velmi zajímavý) soubor problémů. Je znepokojující, že jedním z problémů v této oblasti je kryptografie Jak zašifrovat váš Gmail, Outlook a jiný webmailE-mailové účty obsahují klíče k vašim osobním informacím. Zde je návod, jak zašifrovat vaše Gmail, Outlook.com a další poštovní účty. Přečtěte si více - konkrétně kryptografie veřejného klíče.

Naštěstí se implementace D-Wave jeví jako zaměřená na optimalizační algoritmy a D-Wave učinil některá návrhová rozhodnutí (jako je hierarchická struktura peeringu na čipu), která naznačují, že jste je nemohli použít Vesuv na řešení Shorův algoritmus, které by potenciálně tak špatně odemklo internet Robert Redford by byl pyšný.

Laserové matematiky

Druhou společností na našem seznamu je Optalysys. Tato společnost se sídlem ve Velké Británii bere výpočetní techniku ​​a obrací ji na hlavu pomocí analogové superpozice světla, aby provedla určité třídy výpočtu pomocí samotné povahy světla. Níže uvedené video ukazuje některé pozadí a základy systému Optalysys, které představil Prof. Heinz Wolff.

Je to trochu ruční vlna, ale v podstatě je to krabička, která snad jednoho dne sedne na stole a poskytují výpočetní podporu pro simulace, CAD / CAM a lékařské zobrazování (a možná, jen možná, počítač) hry). Stejně jako u Vesuvu neexistuje řešení, které by řešení Optalysys vedlo k provádění běžných počítačových úloh, ale k tomu není určeno.

Užitečným způsobem, jak přemýšlet o tomto stylu optického zpracování, je myslet na něj jako na fyzickou grafickou jednotku zpracování (GPU). Moderní GPU Seznamte se s grafickým akcelerátorem v detailech s GPU-Z [Windows]GPU nebo jednotka pro zpracování grafiky je součástí počítače, která má na starosti manipulaci s grafikou. Jinými slovy, pokud jsou hry ve vašem počítači trhané nebo pokud neumožňuje nastavení ve vysoké kvalitě, ... Přečtěte si více Používá paralelně mnoho mnoha streamovacích procesorů a provádí stejný výpočet na různých datech přicházejících z různých oblastí paměti. Tato architektura přišla jako přirozený výsledek způsobu, jakým se generuje počítačová grafika, ale tato masivně paralelní architektura byla použita pro všechno vysokofrekvenční obchodování, do Umělé neuronové sítě.

Optalsys bere podobné principy a převádí je do fyzického média; rozdělení dat se dělí na paprsky, stává se lineární algebra kvantové rušení, Funkce stylu MapReduce se stávají systémy optického filtrování. A všechny tyto funkce pracují konstantně, efektivně okamžitě, časem.

Počáteční prototypové zařízení používá k provádění rychlých Fourierových transformací 20Hz 500 × 500 elementovou mřížku (v zásadě „jaké frekvence se objevují v tomto vstupním proudu?“) a poskytl ohromující ekvivalent z 40 GFLOPS. Vývojáři zacílí na systém 340 GFLOPS příští rok, což by vzhledem k odhadované spotřebě energie znamenalo působivé skóre.

Takže kde je můj černý box?

historie práce na počítači Stručná historie počítačů, která změnila světMůžete strávit roky ponořením do historie počítače. Existují tuny vynálezů, tuny knih o nich - a to je předtím, než se začnete dostávat do prstu, k čemuž nevyhnutelně dochází, když ... Přečtěte si více ukazuje, že to, co je zpočátku rezervou výzkumných laboratoří a vládních agentur, se rychle dostává do spotřebitelského hardwaru. Historie výpočtů se bohužel ještě nemusí zabývat omezeními fyzických zákonů.

Osobně si nemyslím, že D-Wave a Optalysys budou přesnými technologiemi, které máme v našich stolech, za 5-10 let. Považujte to za první rozpoznatelné "Chytré hodinky" byl odhalen v roce 2000 a nešťastně selhal; ale podstata technologie pokračuje i dnes. Podobně budou tyto průzkumy v akcelerátorech kvantového a optického počítače pravděpodobně končit jako poznámky pod čarou v „další velké věci“.

Vědy o materiálech se blíží biologické počítače, pomocí struktur podobných DNA k provedení matematiky. Nanotechnologie a „Programovatelná záležitost“ se blíží k bodu, který byl spíše než zpracováním „dat“, samotný materiál bude obsahovat, reprezentovat a zpracovávat informace.

Celkově vzato, pro výpočetní vědce je to odvážný nový svět. Kam si myslíte, že to všechno jde? Pojďme si o tom povídat v komentářích!

Fotografie:KL Intel Pentium A80501 autor: Konstantin Lanzet, Asci red - tflop4m vládou USA - Sandia National Laboratories, DWave D2 od Vancouver Sun, DWave 128čip od společnosti D-Wave Systems, Inc., Cestování prodavač problém autor: Randall Munroe (XKCD)