Kuidas optilised ja kvantarvutid töötavad?

Reklaam

Arvutustehnika ajalugu on täis floppe.

Õun III oli vastik komme ise oma deformeerunud kestas süüa teha. Atari Jaguar, "innovaatiline" mängukonsool, millel oli selle toimivuse kohta väärad väited, lihtsalt ei suutnud turgu haarata. Inteli lipulaeval Pentium kiip, mis on loodud kõrgjõudlusega raamatupidamise rakenduste jaoks, oli raskused kümnendnumbritega.

Kuid teist tüüpi flopp, mis arvutustehnika maailmas valitseb, on LÕBUD mõõtmine, pikka aega tähistatud kui mõistlik õiglane võrdlus erinevate masinate, arhitektuuride ja süsteemide vahel.

FLOPS on mõõdetav ujukomaoperatsioon sekundis. Lihtsamalt öeldes - see on arvutisüsteemi spidomeeter. Ja see on olnud kasvas plahvatuslikult aastakümneteks.

Mis siis, kui ma ütleksin teile, et mõne aasta pärast on teie laua peal, teleris või telefonis süsteem, mis pühib tänapäevaste superarvutite põranda? Uskumatu? Ma olen hullumeelne? Enne kui otsustate, vaadake ajalugu.

Superarvuti supermarketisse

Hiljutine Intel i7 Haswell Mis vahe on Inteli Haswelli ja Ivy Bridge'i protsessoritel?

Kas otsite uut arvutit? Uue Inteliga töötava sülearvuti või lauaarvuti ostjad peavad teadma erinevusi Inteli viimase ja uuema põlvkonna protsessorite vahel. Loe rohkem protsessor suudab umbes 177 miljardit FLOPS (GFLOPS), mis on kiirem kui USA kiireim superarvuti 1994. aastal, Sandia National Labs XP / s140 koos 3680 arvutisüdamikuga, mis koos töötavad.

Tänu oma täiustatud versioonile saab PlayStation 4 töötada umbes 1,8 triljoni FLOPS-iga Rakkude mikroarhitektuur, ja oleks trompeerinud 55 miljonit dollarit ASCI Red superarvuti, mis tipnes ülemaailmse superarvuti liigas 1998. aastal, peaaegu 15 aastat enne PS4 väljaandmist.

IBM-i oma Watsoni AI-süsteem IBM avalikustas revolutsioonilise "aju kiibil"Eelmisel nädalal ajakirjas Science ilmunud artikli vahendusel kuulutati "TrueNorth" välja nn neuromorfne kiip - arvutikiip, mis on kavandatud bioloogiliste neuronite jäljendamiseks, kasutamiseks intelligentsetes arvutisüsteemides, nt Watson. Loe rohkem omab (praegust) maksimaalne töö 80 TFLOPS, ja see pole kaugeltki lähedal, et lasta see tänapäevaste superarvutite 500 parima loendisse koos Hiina Tianhe-2 - edetabelis Top 500 500 viimase 3 järjestikuse korra jooksul, tipptasemel jõudlusega 10% 54,902 TFLOPS ehk ligi 55 Peta-FLOPS-i.

Suur küsimus on, kus on järgmine töölaua suurusega superarvuti Viimane arvutitehnoloogia, mida peate uskumaVaadake mõnda uusimat arvutitehnoloogiat, mis on lähiaastatel muudetud elektroonika ja personaalarvutite maailma muutmiseks. Loe rohkem tulete? Ja mis veelgi olulisem, millal me selle saame?

Veel üks telliskivi võimemüüris

Lähiajaloos on nende muljetavaldavate kiiruse suurenemiste vahel liikumapanevaks jõuks olnud materjaliteadus ja arhitektuuri kujundamine; väiksemad nanomeetri skaalaga tootmisprotsessid tähendavad, et laastud võivad olla õhemad, kiiremad ja eraldavad vähem energiat soojuse kujul, mis muudab nende käitamise odavamaks.

Ka 2000. aasta lõpupoole arenenud mitmetuumaliste arhitektuuride abil on paljud protsessorid nüüd ühele kiibile pigistatud. See tehnoloogia koos hajutatud arvutisüsteemide kasvava küpsusega, kus neid on palju "Arvutid" võivad töötada ühe masinaga, mis tähendab, et Top 500 on alati kasvanud, seda lihtsalt pidades sammuga Moore'i kuulus seadus.

Siiski füüsikaseadused on kogu sellele kasvule takistuseks, isegi Intel on selle pärast mures, ja paljud kogu maailmas jahivad järgmist.

Umbes kümne aasta pärast näeme Moore'i seaduse kokkuvarisemist. Tegelikult näeme juba Moore'i seaduse aeglustumist. Arvuti võimsus lihtsalt ei suuda tavalist ränitehnoloogiat kasutades kiiret eksponentsiaalset tõusu säilitada. - Dr. Michio Kaku – 2012

Praeguse töötlusdisaini põhiprobleem on see, et transistorid on sisse lülitatud (1) või välja lülitatud (0). Iga kord a transistori värav "Klapib", see peab väljutama teatud hulga energiat materjali, millest värav on tehtud, et see "klapp" püsiks. Kuna need väravad muutuvad väiksemaks, muutub transistori ja energia vahelise energia suhe energia transistori "klappimiseks" muutub järjest suuremaks, luues suurema kuumuse ja töökindluse probleemid. Praegused süsteemid lähenevad - ja mõnel juhul isegi ületavad - tuumareaktorite toorsoojustihedust ning materjalid hakkavad oma disaineritele ebaõnnestuma. Seda nimetatakse klassikaliselt 'Jõusein'.

Viimasel ajal on mõned hakanud mõtlema teisiti, kuidas teha kasulikke arvutusi. Eriti kaks firmat on meie tähelepanu köitnud kvant- ja optilise andmetöötluse täiustatud vormide osas. Kanada D-laine süsteemid ja Ühendkuningriigis asuvad Optalysys, kellel mõlemal on äärmiselt erinev lähenemisviis väga erinevatele probleemikomplektidele.

Muusika vahetamise aeg

D-Wave sai viimasel ajal palju ajakirjandust, nende ülijahutusega pahaendeline must kast, millel on äärmiselt küberpungi sisemus, sisaldab enigmaatilist alasti kiipi, millel on raske ette kujutada.

Sisuliselt võtab D2 süsteem probleemide lahendamisel hoopis teistsuguse lähenemise, viskades tõhusalt välja põhjuse-tagajärje reeglite raamatu. Milliseid probleeme see Google / NASA / Lockheed Martin toetas?

Rambling Man

Ajalooliselt, kui soovite lahendada NP-kõva või keskmise raskusega probleem, kus on äärmiselt suur hulk võimalikke lahendusi, millel on lai potentsiaal, klassikalise lähenemisviisi väärtuste kasutamine lihtsalt ei toimi. Võtame näiteks rändkaupmehe probleemi; antud N-linnade järgi leidke kõige lühem tee kõigi linnade ühekordseks külastamiseks. Oluline on märkida, et TSP on oluline tegur paljudes valdkondades nagu mikrokiipide tootmine, logistika ja isegi DNA järjestamine,

Kuid kõik need probleemid taanduvad ilmselt lihtsale protsessile; Valige punkt, millest alustada, genereerige marsruut N 'asjade ümber, mõõtke vahemaa ja kui see on juba olemas kui see on lühem, loobuge proovitud marsruudist ja liikuge järgmisele, kuni enam pole marsruute sinna Kontrollima.

See kõlab lihtsalt ja väikeste väärtuste puhul on see nii; kolme linna jaoks on 3 * 2 * 1 = 6 kontrollitavat marsruuti, 7 linna jaoks on 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, mis pole arvuti halb haldamine. See on Faktoriaal järjestust ja seda saab väljendada kui "N!", nii et 5040 on 7 !.

Selleks ajaks, kui lähete veidi kaugemale 10 külastatavasse linna, peate siiski katsetama üle 3 miljoni marsruudi. 100-ni jõudmiseks on vaja kontrollida 9 marsruuti, millele järgneb 157 numbrid. Ainus viis seda tüüpi funktsioonide vaatamiseks on logaritmilise graafi kasutamine, kus y-telg algab 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3). ) ja nii edasi.

Numbrid muutuvad lihtsalt liiga suureks, et neid oleks võimalik mõistlikult töödelda ükskõik millises masinas, mis tänapäeval olemas on või saab eksisteerida klassikalisi arvutusarhitektuure kasutades. Kuid see, mida D-Wave teeb, on väga erinev.

Vesuvius tõuseb esile

Vesuuvi kiip D2 kasutab umbes 500 'jänesed'Või kvantbittides, et neid arvutusi teha meetodiga, mida nimetatakse Kvantide lõõmutamine. Selle asemel, et mõõta iga marsruuti korraga, seatakse Vesuuv Qubits superpositsioonile (ei sisse ega välja, töötab koos kui mingi potentsiaalne väli) ja lahenduse järjest keerukamate algebraliste kirjelduste seeria (s.o seeria of Hamiltoni päritolu superpositsiooni väljale rakendatakse lahenduse kirjeldusi, mitte lahendust ennast).

Tegelikult testib süsteem üheaegselt iga võimaliku lahenduse sobivust, nagu näiteks pall, mis otsustab, kuidas mäest alla minna. Kui superpositsioon on leevendatud põhiseisundisse, peaks kvbitite see olek kirjeldama optimaalset lahendust.

Paljud on küsinud, kui palju eeliseid annab D-Wave süsteem tavapärase arvuti ees. Hiljutises platvormi testis tüüpilise reisimüüja probleemiga, mis võttis klassikalise arvuti jaoks aega 30 minutit, kestis Vesuuvil vaid pool sekundit.

Kuid et see oleks selge, ei saa see kunagi olema süsteem, milles Doomit mängite. Mõni kommentaator üritab võrrelge seda väga spetsialiseeritud süsteemi üldotstarbelise protsessoriga. Teil oleks parem võrrelda Ohio-klassi allveelaev koos F35 välk; kõik ühe jaoks valitud mõõdikud on teise jaoks nii sobimatud, et need on kasutud.

D-Wave on tavaliste protsessoritega võrreldes FLOPS-iga oma spetsiifiliste probleemide lahendamiseks mitu suurusjärku kiirem ja kiirem hinnangud ulatuvad suhteliselt muljetavaldav 420 GFLOPS mõttelisele 1,5 Peta-FLOPS-ile (asetades selle 2013. aasta TOP 10 superarvuti loendisse viimase avaliku prototüübi ajal). Kui midagi, rõhutab see erinevus FLOPS-i lõppu universaalse mõõtmisena, kui seda rakendatakse konkreetsetele probleemsetele piirkondadele.

See arvutustehnika valdkond on suunatud väga spetsiifilistele (ja väga huvitavatele) probleemide kogumile. Murettekitav on üks selle valdkonna probleeme krüptograafia Kuidas oma Gmaili, Outlooki ja muud veebimeili krüptida?E-posti kontod hoiavad teie isikliku teabe võtmeid. Siit saate teada, kuidas oma Gmaili, Outlook.com ja muid e-posti kontosid krüptida. Loe rohkem - konkreetselt avaliku võtme krüptograafia.

Õnneks näib, et D-Wave'i rakendamine keskendus optimeerimise algoritmidele ja D-Wave tegi mõned kujundusotsused (näiteks kiibi hierarhiline võrdlusstruktuur), mis märkige, et te ei saanud kasutada lahendada Vesuuvi Shori algoritm, mis avaks Interneti nii potentsiaalselt see muudaks Robert Redfordi uhkeks.

Lasermatemaatika

Teine ettevõte meie nimekirjas on Optalysys. See Ühendkuningriigis asuv ettevõte võtab arvutid ja keerab selle pähe, kasutades analoogset valguse superpositsiooni, et viia teatud arvutusklassid läbi valguse enda olemuse. Allpool olev video tutvustab mõningaid Optalysysi süsteemi tagamaid ja põhialuseid Prof. Heinz Wolff.

See on natuke käega katsutav, kuid sisuliselt on see kast, mis loodetavasti istub ühel päeval teie laua peal ja pakkuda arvutuste tugi simulatsioonidele, CAD / CAM-ile ja meditsiinilisele pildistamisele (ja võib-olla, võib-olla ka arvutile) mängud). Nagu Vesuuvilgi, pole ka nii, et Optalysysi lahendus kavatseb täita arvutisiseseid ülesandeid, kuid see pole selleks mõeldud.

Kasulik viis selle optilise töötlemise stiili üle mõelda on mõelda sellest nagu füüsilisest graafikaprotsessorist (GPU). Kaasaegne GPU Graafikakiirendi tundmaõppimine GPU-Z abil [Windows]GPU ehk graafikatöötlusseade on teie arvuti osa, mis vastutab graafika käitlemise eest. Teisisõnu, kui mängud on teie arvutis segavad või see ei saa hakkama väga kõrge kvaliteediga seadetega, ... Loe rohkem Kasutame paralleelselt paljusid voogesitusprotsessoreid, tehes sama arvutust erinevatele mälualadelt saabuvatele andmetele. See arhitektuur tuli arvutigraafika genereerimise loomuliku tulemusena, kuid seda massiliselt paralleelset arhitektuuri on kasutatud kõige jaoks alates kõrgsageduslik kauplemine, kuni Kunstlikud närvivõrgud.

Optalsys võtab sarnased põhimõtted ja tõlgib need füüsiliseks meediumiks; andmete eraldamine muutub taladeks jagamiseks, lineaarne algebra muutub kvanthäired, MapReduce'i stiili funktsioonid muutuvad optilisteks filtreerimissüsteemideks. Ja kõik need funktsioonid töötavad konstantsel, efektiivsel hetkel.

Esialgne prototüübiseade kasutab kiirete Fourier-teisenduste tegemiseks 20Hz 500 × 500 elementide ruudustikku (põhimõtteliselt „mis sagedused selles sisendvoogudes ilmuvad?“) ja see on andnud alavääristava ekvivalendi of 40 GFLOPS. Arendajad sihivad 340 GFLOPS süsteemi järgmine aasta, mis hinnangulist energiatarbimist arvestades oleks muljetavaldav tulemus.

Nii et kus on minu must kast?

andmetöötluse ajalugu Maailma muutnud arvutite lühiajaluguSaate veeta aastaid arvuti ajaloo uurimisel. Nende kohta on tonne leiutist, tonni raamatuid - ja see on enne, kui hakkate näpuga näitama, mis ilmneb paratamatult siis, kui ... Loe rohkem näitab meile, et see, mis on algselt teaduslaborite ja valitsusasutuste reserv, muudab selle kiiresti tarbija riistvaraks. Kahjuks pole arvutuste ajalugu veel pidanud tegelema füüsikaseaduste piirangutega.

Isiklikult ma ei usu, et D-Wave ja Optalysys saavad olema täpsed tehnoloogiad, mis meil töölaual 5-10 aasta pärast on. Arvestage, et esimene äratuntav “Nutikell” avati 2000. aastal ja ebaõnnestunult; kuid tehnoloogia põhiolemus jätkub tänapäeval. Samuti lõppevad need kvant- ja optiliste andmetöötluskiirendite uurimine tõenäoliselt järgmise järgmise asja joonealuste märkustena.

Materjaliteadus on lähemal bioloogilised arvutid, kasutades matemaatika tegemiseks DNA-taolisi struktuure. Nanotehnoloogia ja Programmeeritav asi läheneb punktile, mitte ei töötle andmeid, materjal ise sisaldab, esindab ja töötleb teavet.

Kokkuvõttes on see arvuteadlase jaoks julge uus maailm. Kuhu see teie arvates kõik jõuab? Räägime sellest kommentaarides!

Foto krediit:KL Intel Pentium A80501 autor Konstantin Lanzet, Asci punane - tflop4m USA valitsuse poolt - Sandia National Laboratories, DWave D2 autor Vancouver Sun, DWave 128 kiibi autor: D-Wave Systems, Inc. Reisimüüja probleem autor Randall Munroe (XKCD)