Kaip veikia optiniai ir kvantiniai kompiuteriai?

Skelbimas

Kompiuterijos istorija pilna „Flops“.

„Apple III“ turėjo bjaurų įprotį pati gaminti maistą deformuotame apvalkale. „Atari Jaguar“, „novatoriška“ žaidimų konsolė, turinti klaidingų teiginių apie jos našumą, tiesiog negalėjo patraukti rinkos. „Intel“ pavyzdinis „Pentium“ lustas, sukurtas aukštos kokybės apskaitos programoms, turėjo sunkumai su dešimtainiais skaičiais.

Bet kitas kompiuterio pasaulyje vyraujantis šnipštas yra PLOKŠTYS ilgą laiką vertinamas kaip pagrįstai teisingas skirtingų mašinų, architektūros ir sistemų palyginimas.

FLOPS yra kintamojo taško operacijų per sekundę matas. Paprasčiau tariant, tai skaičiavimo sistemos spidometras. Taip jau buvo auga dešimtmečiais.

Taigi kas būtų, jei aš jums pasakyčiau, kad po kelerių metų ant stalo, televizoriaus ar telefono sėdės sistema, kuri nušluostys šių dienų superkompiuterių grindis? Neįtikėtina? Aš esu beprotis? Prieš teisdamiesi, pažiūrėkite į istoriją.

Superkompiuteris į prekybos centrą

Neseniai sukurtas „Intel i7“ Hasvelas Taigi, kuo skiriasi „Intel Haswell“ ir „Ivy Bridge“ procesoriai?

Ieškai naujo kompiuterio? Pirkdami naują „Intel“ varomą nešiojamąjį kompiuterį ar stalinį kompiuterį, turite žinoti skirtumus tarp paskutinės ir naujausios „Intel“ procesorių kartos. Skaityti daugiau procesorius gali atlikti apie 177 milijardai FLOPS (GFLOPS), kuris yra spartesnis nei greičiausias superkompiuteris JAV 1994 m. „Sandia National Labs XP / s140“ su 3680 skaičiavimo šerdimis, veikiančiomis kartu.

Dėl patobulintos „PlayStation 4“ gali veikti maždaug 1,8 trilijono srauto Ląstelių mikroarhitektūra, ir būtų nugalėjęs 55 mln. USD „ASCI Red“ superkompiuteris, kuris 1998 m., beveik 15 metų prieš išleidžiant PS4, buvo aukščiausia pasaulio superkompiuterių lyga.

IBM „Watson AI“ sistema „IBM“ pristato revoliucinę „protą ant mikroschemos“Paskelbta praėjusią savaitę per straipsnį „Science“, „TrueNorth“ yra vadinama „neuromorfine mikroschema“ - kompiuterio lustas, sukurtas imituoti biologinius neuronus, skirtas naudoti tokiose intelektualiose kompiuterinėse sistemose kaip Vatsonas. Skaityti daugiau turi (dabartinę) didžiausias veikimas 80 TFLOPS, ir tai beveik nėra galimybė patekti į 500 geriausių šiandienos superkompiuterių sąrašą su Kinų „Tianhe-2“ pakilo į 500 geriausiųjų pozicijas pastaruosius 3 metus iš eilės, o didžiausias pasirodymas buvo 5% 54,902 TFLOPS, arba beveik 55 „Peta-FLOPS“.

Didelis klausimas yra, kur yra kitas darbastalio dydžio superkompiuteris Naujausios kompiuterinės technologijos, kurias turite pamatyti, kad patikėtumėtePeržiūrėkite kai kurias naujausias kompiuterių technologijas, kurios per artimiausius kelerius metus pakeis elektronikos ir asmeninių kompiuterių pasaulį. Skaityti daugiau ketini kilti? Ir dar svarbiau, kada mes to gauname?

Dar viena plyta „Power Wall“

Naujausioje istorijoje varomosios jėgos tarp šių įspūdingų greičio pokyčių buvo medžiagų moksle ir architektūros dizaine; Mažesni nanometrų masto gamybos procesai reiškia, kad skiedros gali būti plonesnės, greitesnės ir sunaudoti mažiau energijos šilumos pavidalu, todėl jas naudoti pigiau.

Be to, 2000 m. Pabaigoje tobulinant daugiagysles architektūras, daugelis „procesorių“ dabar yra suspausti ant vieno lusto. Ši technologija kartu su didėjančia paskirstytų skaičiavimo sistemų branda, kur jų yra daug „Kompiuteriai“ gali veikti kaip viena mašina, tai reiškia, kad „Top 500“ visada augo, o tik išlaikė tempas su Garsusis Moore'io įstatymas.

Tačiau fizikos įstatymai pradeda kliudyti šiam augimui, net „Intel“ dėl to nerimauja, ir daugelis visame pasaulyje medžioja kitą dalyką.

... maždaug po maždaug dešimties metų mes pamatysime Moore'o įstatymo žlugimą. Tiesą sakant, jau matome Moore'o įstatymo sulėtėjimą. Kompiuterio galia paprasčiausiai negali išlaikyti greito eksponentinio padidėjimo, naudodama standartinę silicio technologiją. - dr. Michio Kaku – 2012

Pagrindinė dabartinio apdorojimo projekto problema yra ta, kad tranzistoriai yra įjungti (1) arba išjungti (0). Kiekvieną kartą a tranzistoriaus vartai „Atlenkimai“, tai turi išstumti tam tikrą energijos kiekį į medžiagą, iš kurios pagaminti vartai, kad tas „apversti“ liktų. Kuo šie vartai tampa vis mažesni, santykis tarp tranzistoriaus ir energijos sunaudojamos energijos santykis Energija tranzistoriui „apversti“ tampa vis didesnė ir didesnė, sukuriant didelį šildymą ir patikimumą problemos. Dabartinės sistemos artėja - ir kai kuriais atvejais viršija - branduolinių reaktorių neapdorotos šilumos tankį, o medžiagos pradeda žlugti savo projektuotojams. Tai klasikiškai vadinama „Galios siena“.

Pastaruoju metu kai kurie pradėjo kitaip galvoti, kaip atlikti naudingus skaičiavimus. Ypač dvi kompanijos atkreipė mūsų dėmesį į pažangias kvantinio ir optinio skaičiavimo formas. Kanadietis D bangų sistemos ir JK Optalysys, kurie abu turi labai skirtingą požiūrį į labai skirtingus problemų rinkinius.

Laikas pakeisti muziką

„D-Wave“ pastaruoju metu sulaukė daug spaudos pranešimų, nes jų ypač atvėsinta grėsminga juodoji dėžutė su nepaprastai kibernetiniu punkto vidiniu smaigaliu, kurioje yra mįslinga plika mikroschema, sunkiai įsivaizduojama.

Iš esmės D2 sistema naudojasi visiškai kitokiu požiūriu į problemų sprendimą, efektyviai išmesdama priežasties ir pasekmių taisyklių sąvadą. Taigi, kokias problemas siekia šis „Google“ / NASA / „Lockheed Martin“ palaikomas behemotas?

Rambling Man

Istoriškai, jei norite išspręsti „NP-Hard“ ar „Intermediate“ problema, kur yra nepaprastai daug galimų sprendimų, turinčių platų potencialą, naudojant „vertybes“ klasikinis požiūris tiesiog neveikia. Pavyzdžiui, keliaujančio pardavėjo problema; atsižvelgiant į N-miestus, raskite trumpiausią kelią aplankyti visus miestus vieną kartą. Svarbu pažymėti, kad TSP yra pagrindinis veiksnys daugelyje sričių, tokių kaip mikroschemų gamyba, logistika ir netgi DNR sekos nustatymas,

Bet visos šios problemos kyla iš pažiūros paprasto proceso; Pasirinkite tašką, nuo kurio pradėkite, sugeneruokite maršrutą aplink „dalykus“, išmatuokite atstumą ir, jei yra maršrutą, kuris yra trumpesnis už jį, atmeskite bandytą maršrutą ir pereikite prie kito, kol nebėra daugiau maršrutų į patikrinti.

Tai skamba lengvai, o mažoms vertybėms - taip; 3 miestuose yra 3 * 2 * 1 = 6 maršrutai, kuriuos reikia patikrinti, 7 miestuose yra 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, o tai nėra blogai, kad kompiuteris galėtų jį valdyti. Tai yra Faktorinis seka ir gali būti išreikšta „N!“, taigi 5040 yra 7 !.

Tačiau važiuodami šiek tiek toliau - aplankyti 10 miestų - turite išbandyti daugiau nei 3 milijonus maršrutų. Kai pasieksite 100, jums reikės patikrinti 9 maršrutus 157 skaitmenų. Vienintelis būdas pažvelgti į tokio tipo funkcijas yra naudojant logaritminį grafiką, kuriame y ašis prasideda nuo 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3). ) ir taip toliau.

Skaičiai tiesiog per dideli, kad būtų galima pagrįstai apdoroti bet kokią mašiną, kuri egzistuoja šiandien arba gali egzistuoti naudojant klasikinę skaičiavimo architektūrą. Tačiau tai, ką „D-Wave“ veikia, yra labai skirtinga.

Vezuvijus iškyla

Vezuvijaus lustas D2 naudoja apie 500 'kvitų'Arba kvantiniai bitai, kad atliktumėte šiuos skaičiavimus, naudojant metodą Kvantinis atkaitinimas. Užuot matavę kiekvieną maršrutą vienu metu, Vezuvijaus „Qubits“ yra nustatomi į superpozicijos būseną (nei įjungta, nei išjungta, veikia kartu kaip tam tikrą potencialų lauką) ir vis sudėtingesnių algebrinių sprendimo aprašymų seka (t. y. serija apie Hamiltonas sprendimo, o ne paties sprendimo aprašymai) taikomi superpozicijos lauke.

Tiesą sakant, sistema vienu metu išbando kiekvieno galimo sprendimo tinkamumą, pavyzdžiui, rutulys, „nusprendžiantis“, kokiu keliu eiti į kalną. Kai superpozicija sušvelninama į pagrindinę būseną, ta kvadratų pagrindinė būsena turėtų apibūdinti optimalų sprendimą.

Daugelis abejojo, kokį pranašumą D-Wave sistema suteikia palyginti su įprastu kompiuteriu. Neseniai atlikus platformos bandymą, susijusį su tipiška kelionių pardavėjo problema, kuri klasikiniam kompiuteriui užtruko 30 minučių, užtruko vos pusę sekundės Vezuvijuje.

Tačiau, kad būtų aišku, tai niekada nebus sistema, kurioje grojate „Doom“. Kai kurie komentatoriai bando palyginkite šią labai specializuotą sistemą su bendrosios paskirties procesoriumi. Jums geriau būtų palyginti Ohajas- klasės povandeninis laivas su F35 Žaibas; bet kuri jūsų pasirinkta metrika kitai yra tokia netinkama, kad nenaudinga.

„D-Wave“, palyginti su įprastu procesoriumi, ir „FLOPS“, tam tikromis problemomis greičiau įsijungia keliomis eilėmis. įverčiai svyruoja nuo palyginti įspūdingą 420 GFLOPS į galvą keliantį 1,5 „Peta-FLOPS“ (2013 m. įtraukiant jį į 10 geriausių superkompiuterių sąrašą paskutinio viešojo prototipo metu). Jei kas, šis skirtumas paryškina FLOPS kaip universalaus matavimo, kai jis taikomas konkrečioms probleminėms sritims, pabaigos pradžią.

Ši skaičiavimo sritis nukreipta į labai specifines (ir labai įdomias) problemas. Nerimą kelia viena iš šios srities problemų kriptografija Kaip užšifruoti „Gmail“, „Outlook“ ir kitą žiniatinklio paštąEl. Pašto abonementuose yra jūsų asmeninės informacijos raktai. Štai kaip užšifruoti „Gmail“, „Outlook.com“ ir kitas pašto abonementus. Skaityti daugiau - konkrečiai viešojo rakto kriptografija.

Laimei, atrodo, kad „D-Wave“ diegimas buvo sutelktas į optimizavimo algoritmus, ir „D-Wave“ priėmė keletą projektavimo sprendimų (pvz., Lusto hierarchinę tarpusavio struktūrą), kurie nurodykite, kad negalėjote naudotis Vezuvijus išspręsti Šoro algoritmas, kuris galėtų taip blogai atrakinti internetą tai Robertą Redfordą privers didžiuotis.

Lazerinė matematika

Antroji įmonė mūsų sąraše yra „Optalysys“. Ši JK įsikūrusi bendrovė imasi skaičiavimo ir pasuka galvą, naudodama analoginę šviesos superpoziciją, kad atliktų tam tikras skaičiavimo klases, naudodama pačios šviesos pobūdį. Žemiau pateiktas vaizdo įrašas parodo kai kuriuos "Optalysys" sistemos pagrindus ir pagrindus Prof. Heinzas Wolffas.

Tai šiek tiek banguojanti, bet iš esmės tai dėžutė, kuri, tikimės, vieną dieną sėdės ant jūsų stalo ir teikti modeliavimo, CAD / CAM ir medicininių vaizdų (o gal ir tiesiog kompiuterio) skaičiavimo palaikymą žaidimai). Kaip ir Vezuvijus, nėra jokio būdo, kad „Optalysys“ sprendimas vykdys pagrindines skaičiavimo užduotis, tačiau tam jis nėra skirtas.

Naudingas būdas galvoti apie šį optinio apdorojimo stilių yra galvoti apie tai kaip apie fizinį grafikos apdorojimo įrenginį (GPU). Šiuolaikinis GPU Susipažinkite su savo grafikos spartintuvu, pateikdami išsamų vaizdą naudodami GPU-Z [Windows]GPU arba grafikos apdorojimo įrenginys yra jūsų kompiuterio dalis, atsakinga už grafikos valdymą. Kitaip tariant, jei jūsų kompiuteryje žaidimai yra nemalonūs arba jis negali valdyti labai aukštos kokybės nustatymų, ... Skaityti daugiau Tuo pačiu metu naudoja daugybę srautinių procesorių, atlikdami tą patį skaičiavimą skirtingiems duomenims, gaunamiems iš skirtingų atminties sričių. Ši architektūra atsirado kaip natūralus kompiuterinės grafikos generavimo rezultatas, tačiau ši masiškai lygiagreti architektūra buvo naudojama viskam nuo aukšto dažnio prekyba, į Dirbtiniai neuroniniai tinklai.

„Optalsys“ laikosi panašių principų ir paverčia juos fizine terpe; duomenų padalijimas pasidaro pluošto padalijimas, linijinė algebra tampa kvantiniai trukdžiai, „MapReduce“ stiliaus funkcijos tampa optinėmis filtravimo sistemomis. Ir visos šios funkcijos veikia pastovų, efektyvų momentinį laiką.

Pradinis prietaiso prototipas naudoja 20Hz 500 × 500 elementų tinklelį, kad atliktų greitas Furjė transformacijas (iš esmės „kokie dažniai rodomi šiame įvesties sraute?“) ir pateikė puikų ekvivalentą apie 40 GFLOPS. Kūrėjai taiko 340 GFLOPS sistemą iki kitais metais, kuris įvertinus numatomą energijos suvartojimą, būtų įspūdingas balas.

Taigi kur yra mano juodoji dėžutė?

skaičiavimo istorija Trumpa kompiuterių, pakeitusių pasaulį, istorijaGalite praleisti metus gilindamiesi į kompiuterio istoriją. Yra daugybė išradimų, daugybė knygų apie juos - ir tai dar prieš pradedant rodydami pirštu, kuris neišvengiamai atsiranda, kai ... Skaityti daugiau mums parodo, kad tai, kas iš pradžių yra tyrimų laboratorijų ir vyriausybinių agentūrų rezervas, greitai paverčia vartotojus aparatine įranga. Deja, skaičiavimo istorijoje dar neturėjo būti atsižvelgiama į fizikos įstatymų apribojimus.

Aš asmeniškai nemanau, kad „D-Wave“ ir „Optalysys“ bus tikslios technologijos, kurias turime savo darbo staluose po 5–10 metų. Apsvarstykite, kad pirmasis atpažįstamas "Išmanusis laikrodis" buvo atidengtas 2000 m. ir apgailėtinai nepavyko; tačiau technologijos esmė tęsiasi ir šiandien. Panašiai šie „Quantum“ ir „Optinio skaičiavimo“ greitintuvų tyrinėjimai tikriausiai baigsis „kito didelio dalyko“ išnašomis.

Medžiagų mokslas artėja prie biologiniai kompiuteriai, atliekant matematiką, naudojant į DNR panašias struktūras. Nanotechnologijos ir „Programuojamas dalykas“ artėja prie taško, o ne tvarko „duomenis“, o pačioje medžiagoje bus ir informacijos, ir ji bus apdorota, ir apdorota.

Apskritai, tai yra drąsus naujas pasaulis skaičiavimo mokslininkui. Kaip manote, kur visa tai vyksta? Pakalbėkime apie tai komentaruose!

Nuotraukų kreditai:KL Intel Pentium A80501 pateikė Konstantinas Lanzet, Asci raudona - tflop4m pateikė JAV vyriausybė - Sandijos nacionalinės laboratorijos, „DWave D2“ pateikė Vankuverio saulė, „DWave“ 128 lustas pateikė „D-Wave Systems, Inc.“, Keliaujančio pardavėjo problema pateikė Randall Munroe (XKCD)