Jak fungují optické a kvantové počítače?

Výpočtová historie je plná flopů.

Apple III měl ošklivý zvyk vaření sám ve své deformované skořápce. 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 měla potíže s desetinnými čísly.

Ale další druh flopu, který převládá ve světě výpočetní techniky, je měření FLOPS, 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 tachometr pro výpočetní systém. A roste exponenciálně 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 Takže jaký je rozdíl mezi procesory Intel Haswell a Ivy Bridge? 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. procesor může vykonávat asi 177 miliard FLOPS (GFLOPS), což je rychlejší než nejrychlejší superpočítač v USA v roce 1994, Sandia National Labs XP / s140 s 3 680 výpočetními jádry spolupracujícími.

PlayStation 4 může pracovat s přibližně 1,8 bilionu FLOPS díky své pokročilé buněčné mikro-architektuře a byl by trumfem nad 55 milionů dolarů superpočítače ASCI Red, který vrcholil celosvětovou superpočítačovou ligu v roce 1998, téměř 15 let před propuštěním PS4..

IBM Watson AI System IBM odhaluje revoluční „mozek na čipu“ IBM odhaluje revoluční „mozek na čipu“ Oznámený minulý týden prostřednictvím článku ve vědě, „TrueNorth“ je tzv. „Neuromorfní čip“ - počítačový čip určený k napodobují biologické neurony pro použití v inteligentních počítačových systémech, jako je Watson. má (současnou) špičkovou operaci 80 TFLOPS, a to nikde není blízko k tomu, aby byl zařazen do seznamu 500 nejlepších dnešních superpočítačů, přičemž čínský Tianhe-2 v posledních 3 po sobě jdoucích top 500 s maximálním výkonem 54 902 TFLOPS, nebo téměř 55 Peta-FLOPS.

Velkou otázkou je, kde je další superpočítač velikosti stolních počítačů Nejnovější počítačová technologie, kterou musíte vidět, abyste věřili Nejnovější počítačová technologie, kterou musíte vidět, aby jste uvěřili Podívejte se na některé z nejnovějších počítačových technologií, které jsou nastaveny k transformaci světa elektroniky a PC v příštích několika letech. 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.

Také s vývojem vícejádrových architektur koncem roku 2000 je mnoho „procesorů“ vytlačeno na jediný čip. Tato technologie v kombinaci se zvyšující se zralostí distribuovaných výpočetních systémů, kde mnoho „počítačů“ může fungovat jako jeden stroj, znamená, že Top 500 vždy rostlo, jen o udržení tempa se slavným Mooreovým zákonem.

Zákony fyziky se však začínají bránit tomuto růstu, dokonce i Intel se o to bojí 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 to, že tranzistory jsou buď zapnuté (1) nebo vypnuté (0). Pokaždé, když tranzistorová brána „převrátí“, musí vyloučit určité množství energie do materiálu, z kterého je brána vyrobena, aby tento „převrácený“ pobyt zůstal. Jak se tyto brány zmenšují a zmenšují, poměr mezi energií k použití tranzistoru a energií k „převrácení“ tranzistoru se zvětšuje a zvyšuje, což způsobuje velké problémy s ohřevem a spolehlivostí. 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“.

Nedávno 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. Kanadské systémy D-Wave a Optalysys se sídlem ve Velké Británii, které 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 a příčin. Jaké problémy tedy tento Google / NASA / Lockheed Martin podporoval, aby se zaměřil na?

Rambling Man

Historicky, pokud chcete vyřešit problém NP-Hard nebo Intermediate, kde existuje extrémně vysoký počet možných řešení, která mají širokou škálu potenciálu, použití „hodnot“ klasický přístup jednoduše 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 již existující trasa, která je kratší než ta, pokuste se vyhodit trasu a přesunout na další, dokud již nebudou existovat žádné další cesty ke kontrole.

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 tak špatné, aby počítač zvládl. Toto je posloupnost faktorů 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

Čipy Vesuvius v D2 používají k provádění těchto výpočtů pomocí metody zvané Quantum Annealing přibližně 500 „qubits“ nebo Quantum Bits. Spíše než měření každé trasy najednou jsou Vesuvius Qubits nastaveni do superpozičního stavu (ani zapnuto, ani vypnuto, pracovat společně jako druh potenciálního pole) a řada stále komplexnějších algebraických popisů řešení (tj. Řada hamiltonovských popisy řešení, nikoli samotné řešení) se použijí na pole superpozice.

Ve skutečnosti systém testuje vhodnost každého potenciálního řešení současně, jako například koule, která „rozhoduje“, 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 na Vesuvu jen půl sekundy..

Abychom si ale byli jisti, nikdy to nebude systém, na kterém hrajete Doom. Někteří komentátoři se snaží tento vysoce specializovaný systém porovnat s běžným procesorem. Bylo by lepší srovnávat ponorku třídy Ohio s bleskem F35; každá metrika, kterou pro jednu vyberete, je pro druhou tak nevhodná, že je zbytečná.

D-Wave se ve specifických problémech ve srovnání se standardním procesorem rychleji rozběhne o několik řádů, a odhady FLOPS sahají od relativně působivých 420 GFLOPS po ohromující 1,5 Peta-FLOPS (uvedení do Top 10 superpočítače) seznam 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 znepokojivé, že jedním z problémů v této oblasti je kryptografie Jak šifrovat účty Gmail, Outlook a další webmail Jak šifrovat účty Gmail, Outlook a další e-maily Webmail, které drží klíče k vašim osobním informacím. Zde je návod, jak zašifrovat vaše Gmail, Outlook.com a další poštovní účty. - 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 byste nemohli použít Vesuvius k vyřešení Shorova algoritmu, což by potenciálně odemklo internet tak špatně by to udělalo Roberta Redforda hrdým.

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, předložené prof. Heinzem Wolffem..

Je to trochu ruční vlna, ale v podstatě se jedná o krabici, která snad jednoho dne sedí na stole a poskytne výpočetní podporu pro simulace, CAD / CAM a lékařské zobrazování (a možná, jen možná, počítačové hry). Stejně jako u Vesuvu neexistuje řešení, které by řešení Optalysys vedlo k provádění běžných počítačových úloh, ale to není to, pro co je navrženo..

Užitečným způsobem, jak přemýšlet o tomto stylu optického zpracování, je myslet na něj jako na fyzickou jednotku grafického zpracování (GPU). Moderní GPU Poznejte svůj grafický akcelerátor ve vzrušujícím detailu pomocí GPU-Z [Windows] Poznejte svůj grafický akcelerátor ve vzrušujícím detailu pomocí GPU-Z [Windows] GPU nebo jednotka pro zpracování grafiky je součástí vašeho počítače manipulace s grafikou. Jinými slovy, pokud jsou hry ve vašem počítači trhané nebo pokud neumí zpracovat nastavení velmi vysoké kvality, ... používají paralelně mnoho mnoha streamovacích procesorů, které provádějí stejný výpočet na různých datech přicházejících z různých oblastí paměti. Tato architektura vznikla jako přirozený výsledek způsobu generování počítačové grafiky, ale tato masivně paralelní architektura byla použita pro všechno od vysokofrekvenčního obchodování po umělé neuronové sítě..

Optalsys bere podobné principy a převádí je do fyzického média; rozdělení dat se dělí na paprsky, lineární algebra se stává kvantovou interferencí, funkce stylu MapReduce se stávají optickými filtračními systémy. A všechny tyto funkce pracují konstantně, efektivně okamžitě, časem.

Počáteční prototypové zařízení používá k provádění rychlých Fourierových transformací 20 Hz 500 × 500 elementových sítí, “jaké frekvence se objeví v tomto vstupním proudu?”) a dodal ohromující ekvivalent 40 GFLOPS. Vývojáři se do příštího roku zamíří na systém 340 GFLOPS, což by bylo vzhledem k odhadované spotřebě energie působivé skóre.

Takže kde je můj černý box?

Historie počítačů Stručná historie počítačů, které změnily svět Stručná historie počítačů, které změnily svět Můžete strávit roky ponořením do historie počítače. Existuje spousta vynálezů, spousta knih o nich - a to je, než se začnete dostávat do prstu, k čemuž nevyhnutelně dochází, když… nám ukazuje, že to, co je původně rezerva výzkumných laboratoří a vládních agentur, rychle pronikne do spotřebitelského hardwaru. Historie počítačů bohužel ještě nemusí řešit omezení fyzikálních zákonů.

Osobně si nemyslím, že D-Wave a Optalysys budou přesnými technologiemi, které máme na 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. Stejně tak tyto průzkumy do kvantových a optických počítačových urychlovačů pravděpodobně skončí jako poznámky pod čarou v „další velké věci“.

Vědy o materiálech se přibližují k biologickým počítačům a používají matematické struktury podobné DNA. Nanotechnologie a „Programovatelná hmota“ se blíží k bodu, spíše než ke zpracování „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 od Konstantina Lanzeta, Asci red - tflop4m od vlády USA - Sandia National Laboratories, DWave D2 od společnosti Vancouver Sun, DWave 128chip od společnosti D-Wave Systems, Inc.