Как работят оптичните и квантовите компютри?

реклама

Историята на компютрите е пълна с Flops.

Най- Apple III имаше гаден навик да се готви в деформираната му черупка. Най- Атари Ягуар, „иновативна“ игрова конзола, която имаше някои фалшиви претенции относно нейното представяне, просто не можа да грабне пазара. Основният чип на Pentium на Intel, създаден за счетоводни приложения с висока производителност, имаше трудност с десетичните числа.

Но другият вид флоп, който преобладава в света на компютърните технологии, е джапанки измерване, дълго приветствано като сравнително справедливо сравнение между различни машини, архитектури и системи.

FLOPS е мярка за операции с плаваща запетая в секунда. Казано по-просто, това е скоростомерът за изчислителна система. И това е било нараства експоненциално в продължение на десетилетия.

И така, ако ако ви кажа, че след няколко години ще имате система, седнала на бюрото си, в телевизора си или в телефона си, която ще изтрие пода на съвременните суперкомпютри? Невероятен? Аз съм луд? Погледнете историята, преди да прецените.

Суперкомпютър до супермаркет

Наскоро Intel i7 Haswell Така че каква е разликата между процесорите Haswell и Intel Ivy Bridge на Intel?Търсите нов компютър? Тези, които пазаруват за нов лаптоп или настолен компютър с Intel, трябва да знаят разликите между последното и последното поколение процесори на Intel. Прочетете още процесор може да изпълнява около 177 милиарда FLOPS (GFLOPS), който е по-бърз от най-бързият суперкомпютър в САЩ през 1994 г., Sandia National Labs XP / s140 с 3680 изчислителни ядра, които работят заедно.

PlayStation 4 може да работи на около 1,8 трилиона FLOPS благодарение на своите модерни Клетъчна микро-архитектура, и щеше да тръби 55 милиона долара ASCI червено суперкомпютър, който оглавява световната суперкомпютърна лига през 1998 г., близо 15 години преди пускането на PS4.

на IBM Watson AI система IBM разкри революционен "мозък на чип"Обявен миналата седмица чрез статия в Science, "TrueNorth" е това, което е известно като "невроморфен чип" - a компютърен чип, създаден да имитира биологични неврони, за използване в интелигентни компютърни системи като Уотсън. Прочетете още има (текущ) пикова операция 80 TFLOPS, и това не е близо до включването му в списъка на топ 500 на съвременните суперкомпютри, с Китайски Tianhe-2 оглавява Топ 500 в последните 3 поредни случая, с върхово представяне от 54,902 TFLOPS, или близо 55 Peta-FLOPS.

Големият въпрос е къде е следващото суперкомпютър с десктоп Най-новите компютърни технологии, които трябва да видите, за да повярватеВижте някои от най-новите компютърни технологии, които са зададени да трансформират света на електрониката и персонални компютри през следващите няколко години. Прочетете още ще дойде? И по-важното е, когато го получаваме?

Още една тухла в стената на мощността

В най-новата история движещите сили между тези впечатляващи печалби в скоростта са били в материалознанието и архитектурния дизайн; по-малките производствени процеси в нанометър означават, че чиповете могат да бъдат по-тънки, по-бързи и да изхвърлят по-малко енергия под формата на топлина, което ги прави по-евтини.

Освен това, с развитието на многоядрени архитектури в края на 2000-те години на миналия век много „процесори“ са пресовани в един чип. Тази технология, съчетана с нарастващата зрялост на разпределените изчислителни системи, където има много „Компютрите“ могат да работят като една машина, което означава, че Топ 500 винаги се разраства, само за запазване темпо с Известният закон на Мур.

както и да е законите на физиката започват да пречат на целия този растеж, дори Intel се притеснява от това, и много от цял ​​свят търсят следващото нещо.

… След около десет години ще видим краха на закона на Мур. Всъщност вече виждаме забавяне на закона на Мур. Компютърната мощност просто не може да поддържа бързото си експоненциално издигане, използвайки стандартна силиконова технология. - Д-р Мичио Каку – 2012

Основният проблем на текущата обработка е, че транзисторите са или включени (1), или изключени (0). Всеки път a транзисторна порта „Обръща“, той трябва да изхвърли определено количество енергия в материала, от който е направена портата, за да се задържи това „преобръщане“. Тъй като тези порти стават все по-малки и по-малки, съотношението между енергията за използване на транзистора и енергия за „обръщане“ на транзистора става все по-голям и по-голям, създавайки голямо отопление и надеждност проблеми. Настоящите системи се приближават - а в някои случаи и надвишават - плътността на суровата топлина на ядрените реактори и материалите започват да се провалят от своите проектанти. Това се нарича класически "Power Wall".

Напоследък някои започнаха да мислят различно как да извършват полезни изчисления. По-специално две компании привлечеха вниманието ни по отношение на усъвършенстваните форми на квантови и оптични изчисления. канадски D-Wave системи и базирана във Великобритания Optalysys, които и двамата имат изключително различни подходи към много различни задачи.

Време е за промяна на музиката

D-Wave получи много преса напоследък, със своята супер охладена зловеща черна кутия с изключително киберпанк интериор-шип, съдържащ загадъчен гол чип с трудно представими сили.

По същество системата D2 използва съвсем различен подход към решаването на проблеми, като ефективно изхвърля книгата с правила за причините и следствията. И така, към какви проблеми се стреми този Google / НАСА / Локхийд Мартин?

Човекът, който разбягва

Исторически, ако искате да разрешите NP-твърд или междинен проблем, където има изключително голям брой възможни решения, които имат широк спектър от потенциал, използвайки „стойности“, класическият подход просто не работи. Вземете например проблема с пътуващия продавач; като имате N-градове, намерете най-краткия път, за да посетите всички градове веднъж. Важно е да се отбележи, че TSP е основен фактор в много области като производството на микрочипове, логистиката и дори секвенирането на ДНК,

Но всички тези проблеми се свеждат до очевидно прост процес; Изберете точка, от която да започнете, генерирайте маршрут около N „неща“, измерете разстоянието и ако има съществуващ маршрут, който е по-кратък от него, изхвърлете опитания маршрут и преминете към следващия, докато няма повече маршрути до проверите.

Това звучи лесно и за малки стойности е така; за 3 града има 3 * 2 * 1 = 6 маршрута за проверка, за 7 града има 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, което не е много лошо за работа с компютър. Това е факториел последователност и може да се изрази като "N!", така че 5040 е 7 !.

Въпреки това, до момента, в който отидете само малко по-нататък, до 10 града за посещение, трябва да тествате над 3 милиона маршрута. Докато стигнете до 100, броят на маршрутите, които трябва да проверите, е 9, последван от 157 цифри. Единственият начин да се разгледат тези функции е използването на логаритмична графика, където оста y започва от 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3) ) и така нататък.

Цифрите стават твърде големи, за да може разумно да се обработва на всяка машина, която съществува днес или може да съществува с помощта на класически изчислителни архитектури. Но това, което прави D-Wave е много различно.

Везувий изплува

Чипът на Везувий в D2 използва около 500 'qubits'Или квантови битове за извършване на тези изчисления чрез метод наречен Квантово отгряване. Вместо да измерват всеки маршрут наведнъж, Везувий Qubits са поставени в състояние на суперпозиция (нито включен, нито изключен, работещ заедно като вид потенциално поле) и поредица от все по-сложни алгебрични описания на решението (т.е. серия на Hamiltonian описания на разтвора, а не само решение) се прилагат към полето на суперпозиция.

Всъщност системата едновременно тества годността на всяко потенциално решение, като топка „решава“ как да се спусне по хълма. Когато суперпозицията се отпусне в основно състояние, това основно състояние на кубитите трябва да описва оптималното решение.

Мнозина се усъмниха колко предимство дава системата D-Wave пред конвенционалния компютър. В неотдавнашен тест на платформата срещу типичен Travelman Saleman Problem, който отне 30 минути за класически компютър, отне само половин секунда на Везувий.

Въпреки това, за да е ясно, това никога няма да бъде система, в която играете Doom. Някои коментатори се опитват сравнете тази високо специализирана система с процесор с общо предназначение. Ще бъде по-добре да сравнявате Охайо-клас подводница с F35 Светкавица; всеки показател, който изберете за един, е толкова неподходящ за другия, че е безполезен.

D-Wave се свързва с няколко порядъка по-бързо заради специфичните си проблеми в сравнение със стандартен процесор и FLOPS оценките варират от сравнително впечатляващите 420 GFLOPS до изумителните 1.5 Peta-FLOPS (Поставянето му в списъка на топ 10 на суперкомпютъра през 2013 г. по времето на последния публичен прототип). Ако не друго, това несъответствие подчертава началото на края на FLOPS като универсално измерване, когато се прилага към конкретни проблемни области.

Тази област на изчисленията е насочена към много специфичен (и много интересен) набор от проблеми. Тревожно е, че един от проблемите в тази сфера е криптография Как да шифровате вашия Gmail, Outlook и друга уеб пощаЕлектронните акаунти държат ключовете за вашата лична информация. Ето как да шифровате вашите Gmail, Outlook.com и други пощенски акаунти. Прочетете още - конкретно криптография с публичен ключ.

За щастие, реализацията на D-Wave изглежда се фокусира върху алгоритмите за оптимизация и D-Wave взе някои дизайнерски решения (като например йерархичната структура на пиърсинг на чипа), която посочете, че не можете да използвате Везувийът за решаване Алгоритъм на къси, което потенциално би могло да отключи Интернет толкова зле това ще направи Робърт Редфорд горд.

Лазерна математика

Втората компания в нашия списък е Optalysys. Тази компания, базирана в Обединеното кралство, взема компютри и я завърта на главата си, използвайки аналогова суперпозиция на светлина, за да извършва определени класове изчисления, използвайки самата природа на светлината. По-долу видео демонстрира някои от предисторията и основите на системата Optalysys, представена от Проф Хайнц Уолф.

Това е малко махане с ръка, но по същество това е кутия, която, надяваме се, един ден да седне на бюрото ви и осигурете изчислителна поддръжка за симулации, CAD / CAM и медицински изображения (и може би, просто може би, компютър игри). Подобно на Везувий, няма начин решението на Optalysys да изпълнява основните задачи за изчисление, но това не е това, което е предназначено.

Полезен начин да мислите за този стил на оптична обработка е да мислите за него като за физически графичен процесор (GPU). Модерен GPU Запознайте се с вашия графичен ускорител в изнурителен детайл с GPU-Z [Windows]Графичният процесор или графичната обработваща единица е частта от вашия компютър, която отговаря за обработката на графика. С други думи, ако игрите са накъсани на вашия компютър или той не може да се справи с много висококачествени настройки, ... Прочетете още Използват паралелно много много поточни процесори, извършвайки едно и също изчисление на различни данни, идващи от различни области на паметта. Тази архитектура дойде като естествен резултат от начина, по който се генерират компютърните графики, но тази масово паралелна архитектура се използва за всичко от търговия с висока честота, да се Изкуствени невронни мрежи.

Optalsys приема подобни принципи и ги превежда във физическа среда; разделянето на данни става разделяне на лъча, става линейна алгебра квантова намеса, Функциите в стил MapReduce стават оптични филтриращи системи. И всички тези функции работят в постоянно, ефективно моментално, време.

Първоначалното прототипно устройство използва 20Hz 500 × 500 елементна мрежа за извършване на бързи трансформации на Фурие (в общи линии „какви честоти се появяват в този входен поток?“) и е предоставил подвижен еквивалент на 40 GFLOPS. Разработчиците са насочени към система от 340 GFLOPS от следващата година, което като се има предвид прогнозираната консумация на енергия, би било впечатляващ резултат.

И така, къде е моята черна кутия?

Най- история на изчислителната техника Кратка история на компютрите, които промениха светаМожете да прекарате години, ровейки се в историята на компютъра. Има тонове изобретения, тонове книги за тях - и това е преди да започнете да влизате в соченето на пръст, което неизбежно се случва, когато ... Прочетете още ни показва, че това, което първоначално е резервът от изследователски лаборатории и правителствени агенции, бързо пробива в потребителския хардуер. За съжаление историята на компютрите все още не е трябвало да се занимава с ограниченията на законите на физиката.

Лично аз не мисля, че D-Wave и Optalysys ще бъдат точните технологии, които имаме на бюрата си след 5-10 години. Считайте, че първият разпознаваем "Умен часовник" е разкрит през 2000 г. и се е провалил мизерно; но същността на технологията продължава и днес. По същия начин, тези проучвания на квантови и оптични изчислителни ускорители вероятно ще завършат като бележки под линия в „следващото голямо нещо“.

Материалознанието е по-близо до биологични компютри, използвайки ДНК-подобни структури за извършване на математика. Нанотехнологии и „Програмируема материя“ наближава точката, а не обработва „данни“, самият материал ще съдържа, представя и обработва информация.

Като цяло, това е смел нов свят за изчислител. Къде мислите, че всичко това отива? Нека да поговорим за това в коментарите!

Кредити за снимки:KL Intel Pentium A80501 от Константин Ланцет, Asci червен - tflop4m от правителството на САЩ - Национални лаборатории Sandia, DWave D2 от Сън Ванкувър, DWave 128чип от D-Wave Systems, Inc., Проблем с пътуващия продавач от Рандал Манро (XKCD)