Kā darbojas optiskie un kvantu datori?

Reklāma

Datoru vēsture ir pilna ar Flops.

Ābolu III bija vētraina ieradums gatavot sevi savā deformētajā apvalkā. Atari Jaguar, “inovatīva” spēļu konsole, kurai bija nepatiesas pretenzijas par tās darbību, vienkārši nespēja sagrābt tirgu. Intel vadošajai Pentium mikroshēmai, kas paredzēta augstas veiktspējas grāmatvedības lietojumprogrammām, bija grūtības ar decimālskaitļiem.

Bet cita veida kritiens, kas dominē skaitļošanas pasaulē, ir PLAUKI mērījums, sen novērtēts kā samērā taisnīgs dažādu mašīnu, arhitektūru un sistēmu salīdzinājums.

FLOPS ir operācijas ar peldošo komatu sekundē mērījums. Vienkārši sakot, tas ir skaitļošanas sistēmas spidometrs. Un tas ir bijis pieaug eksponenciāli gadu desmitiem ilgi.

Kas notiks, ja es jums teiktu, ka pēc dažiem gadiem uz galda, televizorā vai tālrunī sēž sistēma, kas noslaucīs mūsdienu superdatoru grīdas? Neticami? Es esmu ārprāts? Pirms spriest, ieskatieties vēsturē.

Superdators uz lielveikalu

Nesenā Intel i7 Hasvels Tātad, kāda ir atšķirība starp Intel Haswell un Ivy Bridge centrālajiem procesoriem?

Vai meklējat jaunu datoru? Tiem, kas iegādājas jaunu Intel darbināmu klēpjdatoru vai galddatoru, jāzina atšķirības starp pēdējās un jaunākās paaudzes Intel procesoriem. Lasīt vairāk procesors var veikt aptuveni 177 miljardi FLOPS (GFLOPS), kas ir ātrāks nekā 1994. gadā ātrākais superdators ASV, Sandia National Labs XP / s140 ar 3680 skaitļošanas kodoliem, kas darbojas kopā.

Pateicoties tā uzlabotajai versijai, PlayStation 4 var darboties ar aptuveni 1,8 triljoniem FLOPS Šūnu mikroarhitektūra, un būtu satriecis USD 55 miljoni ASCI Red superdators, kas pasaules superdatoru līgā tika sasniegts 1998. gadā, gandrīz 15 gadus pirms PS4 izlaišanas.

IBM Watson AI sistēma IBM atklāj revolucionāro "smadzenes mikroshēmā"Paziņots pagājušajā nedēļā, izmantojot rakstu zinātnē, "TrueNorth" ir pazīstams kā “neiromorfiska mikroshēma” - datoru mikroshēma, kas paredzēta bioloģisko neironu atdarināšanai, izmantošanai tādās inteliģentajās datorsistēmās kā Vatsons. Lasīt vairāk ir (pašreizējais) maksimālā darbība 80 TFLOPS, un tas nekādā gadījumā nav iekļauts mūsdienu 500 superdatoru sarakstā ar Ķīniešu Tianhe-2 ieņem Top 500 vietu pēdējās 3 reizes pēc kārtas, ar visaugstāko sniegumu 54,902 TFLOPS jeb gandrīz 55 Peta-FLOPS.

Lielais jautājums ir, kur ir nākamais darbvirsmas lieluma superdators Jaunākās datortehnoloģijas, kas jums jāredz, lai ticētuIepazīstieties ar dažām jaunākajām datortehnoloģijām, kas nākamo gadu laikā ir pārveidotas elektronikas un personālo datoru pasaulē. Lasīt vairāk nāks no? Un vēl svarīgāk, kad mēs to iegūstam?

Vēl viens ķieģelis spēka sienā

Nesenā vēsturē starp šiem iespaidīgajiem ātruma pieauguma dzinējspēkiem ir bijuši materiālzinātne un arhitektūras dizains; mazāki nanometru mēroga ražošanas procesi nozīmē, ka mikroshēmas var būt plānākas, ātrākas un patērē mazāk enerģijas siltuma veidā, kas padara tās lētākas.

Turklāt, attīstoties daudzkodolu arhitektūrai 2000. gadu beigās, daudzi “procesori” tagad tiek saspiesti uz vienas mikroshēmas. Šī tehnoloģija apvienojumā ar pieaugošo izkliedēto aprēķināšanas sistēmu gatavību, kur to ir daudz “Datori” var darboties kā viena mašīna, tas nozīmē, ka Top 500 vienmēr ir palielinājies, tikai saglabājot to temps ar Mūra slavenais likums.

Tomēr fizikas likumi sāk šķēršļus visai šai izaugsmei, pat Intel par to uztraucas, un daudzi visā pasaulē meklē nākamo lietu.

Apmēram pēc apmēram desmit gadiem mēs redzēsim Mūra likuma sabrukumu. Faktiski jau mēs redzam Mūra likuma palēnināšanos. Izmantojot standarta silīcija tehnoloģiju, datora jauda vienkārši nevar uzturēt straujo eksponenciālo pieaugumu. - Dr. Michio Kaku – 2012

Pašreizējās apstrādes dizaina pamatproblēma ir tāda, ka tranzistori ir ieslēgti (1) vai izslēgti (0). Katru reizi a tranzistora vārti “Pārvēršas”, tai ir jāizraida noteikts enerģijas daudzums materiālā, no kura tiek izgatavoti vārti, lai šī “uzsist” paliktu. Tā kā šie vārti kļūst arvien mazāki, tranzistora un enerģijas patēriņa attiecība ir enerģija tranzistora “uzsist” kļūst arvien lielāka, radot lielu sildīšanu un uzticamību problēmas. Pašreizējās sistēmas tuvojas - un dažos gadījumos pārsniedz - kodolreaktoru neapstrādātā siltuma blīvumam, un materiāli sāk izgāzties no to projektētājiem. To klasiski sauc par 'Spēka siena'.

Nesen daži ir sākuši domāt savādāk, kā veikt noderīgus aprēķinus. Īpaši divi uzņēmumi ir piesaistījuši mūsu uzmanību progresīvu kvantu un optiskās skaitļošanas formu ziņā. Kanādietis D-viļņu sistēmas un Lielbritānijā Optalysys, kuriem abiem ir ārkārtīgi atšķirīga pieeja ļoti atšķirīgām problēmu kopām.

Laiks mainīt mūziku

D-Wave pēdējā laikā ir saņēmis daudz preses ar savu īpaši atdzesēto draudošo melno kasti ar ārkārtīgi kiberpanka interjera smaili, kurā ir mīklaina neapbruņota mikroshēma ar grūti iedomājamām spējām.

Būtībā D2 sistēma izmanto pavisam citu pieeju problēmu risināšanai, efektīvi izlaižot cēloņu un seku likumu kopumu. Tātad, uz kādām problēmām šī Google / NASA / Lockheed Martin atbalstītā behemoth ir vērsta?

Rambling Man

Vēsturiski, ja vēlaties atrisināt NP-cieta vai vidēja problēma, kur ir ārkārtīgi liels skaits iespējamo risinājumu, kuriem ir plašs potenciāls, izmantojot “vērtības”, klasiskā pieeja vienkārši nedarbojas. Piemēram, ceļojošā pārdevēja problēma; ņemot vērā N-pilsētas, atrodiet īsāko ceļu, lai vienreiz apmeklētu visas pilsētas. Ir svarīgi atzīmēt, ka TSP ir būtisks faktors daudzās jomās, piemēram, mikroshēmu ražošanā, loģistikā un pat DNS secībā,

Bet visas šīs problēmas rodas acīmredzami vienkāršā procesā; Izvēlieties punktu, no kura sākt, ģenerējiet maršrutu ap N 'lietām', izmēriet attālumu un, ja tāds jau ir maršrutu, kas ir īsāks par to, atmet mēģināto maršrutu un pāriet uz nākamo, līdz vairs nav maršrutu uz pārbaudīt.

Tas izklausās viegli, un mazām vērtībām tas ir; 3 pilsētām ir 3 * 2 * 1 = 6 maršruti, kas jāpārbauda, ​​7 pilsētām ir 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, kas nav pārāk slikts datoram, lai to apstrādātu. Tas ir Faktors secību, un to var izteikt kā “N!”, tāpēc 5040 ir 7 !.

Tomēr, dodoties tikai nedaudz tālāk, lai apmeklētu 10 pilsētas, jums jāpārbauda vairāk nekā 3 miljoni maršrutu. Kad esat sasniedzis 100, jāpārbauda 9 maršruti, pēc kuriem seko 157 cipari. Vienīgais veids, kā aplūkot šāda veida funkcijas, ir logaritmiskā grafika izmantošana, kur y ass sākas ar 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3). ) un tā tālāk.

Skaitļi vienkārši kļūst pārāk lieli, lai varētu pamatoti apstrādāt jebkuru mašīnu, kas šodien pastāv vai var pastāvēt, izmantojot klasiskās skaitļošanas arhitektūras. Bet tas, ko D-Wave dara, ir ļoti atšķirīgs.

Vezuvs iznāk

Vezuva mikroshēma D2 izmanto ap 500 'kvītiVai kvantu bitus, lai veiktu šos aprēķinus, izmantojot metodi, ko sauc par Kvantu atlaidināšana. Tā vietā, lai izmērītu katru maršrutu vienlaikus, Vezuva Qubits tiek iestatīts superpozīcijas stāvoklī (ne ieslēgts, ne izslēgts, darbojas kopā kā sava veida potenciālais lauks) un aizvien sarežģītāku risinājuma algebrisko aprakstu sērija (t.i., virkne no Hamiltons superpozīcijas laukam tiek izmantoti risinājuma apraksti, nevis pats risinājums).

Faktiski sistēma vienlaikus pārbauda katra potenciālā risinājuma piemērotību, piemēram, bumba, kas “izlemj”, kā iet lejup no kalna. Kad superpozīcija ir atslābināta pamata stāvoklī, šim kvitu pamata stāvoklim jāapraksta optimālais risinājums.

Daudzi ir apšaubījuši, cik daudz priekšrocību D-Wave sistēma dod salīdzinājumā ar parasto datoru. Nesenajā platformas testā, kas vērsts pret tipisku ceļojošā pārdevēja problēmu, kas klasiskajam datoram prasīja 30 minūtes, pagāja tikai pussekundi uz Vezuva.

Tomēr, lai būtu skaidrs, tā nekad nebūs sistēma, kurā jūs spēlējat Doom. Daži komentētāji cenšas salīdziniet šo ļoti specializēto sistēmu ar vispārējas nozīmes procesoru. Jums labāk būtu salīdzināt Ohaio-klase zemūdene ar F35 Zibens; jebkura metrika, kuru izvēlaties vienam, ir tik neatbilstoša otrai, ka tā ir bezjēdzīga.

D-Wave straujāk tiek apzināts par vairākiem lielumiem, lai sasniegtu tās īpašās problēmas, salīdzinot ar parasto procesoru un FLOPS. aplēses svārstās no salīdzinoši iespaidīgs 420 GFLOPS uz prātā ienākošo 1,5 Peta-FLOPS (iekļaujot to 2013. gada top 10 superdatoru sarakstā pēdējā publiskā prototipa laikā). Ja kaut kas, šī atšķirība izceļ FLOPS beigu sākumu kā universālu mērījumu, ja to piemēro konkrētām problēmu jomām.

Šī skaitļošanas joma ir vērsta uz ļoti specifisku (un ļoti interesantu) problēmu kopumu. Satraucoši, ka viena no problēmām šajā sfērā ir kriptogrāfija Kā šifrēt savu Gmail, Outlook un citu WebmailE-pasta kontos ir atslēgas jūsu personiskajai informācijai. Tālāk ir norādīts, kā šifrēt savus Gmail, Outlook.com un citus pasta kontus. Lasīt vairāk - īpaši publiskās atslēgas šifrēšana.

Par laimi, šķiet, ka D-Wave ieviešana ir vērsta uz optimizācijas algoritmiem, un D-Wave pieņēma dažus dizaina lēmumus (piemēram, mikroshēmas hierarhisko vienaudžu struktūru), kas norādiet, ka jūs nevarat izmantot Vezuva atrisināt Šora algoritms, kas tik slikti varētu atbloķēt internetu tas Robertu Redfordu padarītu lepnu.

Lāzera matemātika

Otrais uzņēmums mūsu sarakstā ir Optalysys. Šis Apvienotajā Karalistē bāzētais uzņēmums ņem skaitļošanu un pagriež to, izmantojot analogo gaismas superpozīciju, lai veiktu noteiktas aprēķināšanas klases, izmantojot pašas gaismas raksturu. Zemāk esošajā video ir parādīti daži Optalysys sistēmas pamati un pamati, kurus prezentēja Prof. Heinzs Volfs.

Tas ir mazliet uz rokas viļņains, bet būtībā tā ir kaste, kas, cerams, kādu dienu sēdēs uz jūsu galda un nodrošināt aprēķinu atbalstu simulācijām, CAD / CAM un medicīnisko attēlu veidošanu (un varbūt, tikai varbūt, datoru) spēles). Tāpat kā Vezuva, arī nekādā gadījumā Optalysys risinājums veiks galvenos skaitļošanas uzdevumus, taču tas nav tam paredzēts.

Noderīgs veids, kā domāt par šo optiskās apstrādes stilu, ir domāt par to kā fizisko grafikas apstrādes vienību (GPU). Mūsdienu GPU Iepazīstiet savu grafikas paātrinātāju, izmantojot detalizētu informāciju, izmantojot GPU-Z [Windows]GPU jeb grafikas apstrādes vienība ir jūsu datora daļa, kas atbild par grafikas apstrādi. Citiem vārdiem sakot, ja spēles jūsu datorā ir nemierīgas vai tā nevar tikt galā ar ļoti augstas kvalitātes iestatījumiem, ... Lasīt vairāk Paralēli izmanto daudzus straumēšanas procesorus, veicot vienu un to pašu aprēķinu dažādiem datiem, kas nāk no dažādiem atmiņas apgabaliem. Šī arhitektūra radās kā datorgrafikas ģenerēšanas dabisks rezultāts, taču šī masveidā paralēlā arhitektūra tika izmantota visam, sākot no tirdzniecība ar augstfrekvenci, uz Mākslīgie neironu tīkli.

Optalsys izmanto līdzīgus principus un pārveido tos fiziskā vidē; datu nodalīšana kļūst par staru sadalīšanu, par lineāro algebra kvantu iejaukšanās, MapReduce stila funkcijas kļūst par optiskām filtrēšanas sistēmām. Un visas šīs funkcijas darbojas nemainīgā, faktiski momentānā laikā.

Sākotnējā prototipa ierīce izmanto 20Hz 500 × 500 elementu režģi, lai veiktu ātras Furjē transformācijas (būtībā “kādas frekvences parādās šajā ievades plūsmā?”), un tas ir nodrošinājis zemo ekvivalentu no 40 GFLOPS. Izstrādātāji ir atlasījuši 340 GFLOPS sistēmu līdz nākamgad, kas, ņemot vērā aprēķināto enerģijas patēriņu, būtu iespaidīgs rādītājs.

Tātad, kur ir mana melnā kaste?

skaitļošanas vēsture Datoru, kas mainīja pasauli, īsa vēstureJūs varat pavadīt gadus, iedziļinoties datora vēsturē. Par tiem ir daudz izgudrojumu, daudz grāmatu - un tas ir pirms jūs sākat nokļūt ar pirkstu, kas neizbēgami rodas, kad ... Lasīt vairāk mums parāda, ka sākotnēji pētniecības laboratoriju un valdības aģentūru rezerves ātri nonāk patērētāju aparatūrā. Diemžēl skaitļošanas vēsturē vēl nav bijis jāsaskaras ar fizikas likumu ierobežojumiem.

Personīgi es nedomāju, ka D-Wave un Optalysys būs tās precīzās tehnoloģijas, kuras mums ir uz mūsu galdiem 5–10 gadu laikā. Uzskatu, ka pirmais atpazīstamais “Viedais pulkstenis” tika atklāta 2000. gadā un neveiksmīgi cieta neveiksmes; bet tehnoloģijas būtība turpinās mūsdienās. Tāpat šie pētījumi par kvantu un optisko skaitļošanas paātrinātāju, iespējams, beigsies kā “nākamās lielās lietas” zemsvītras piezīmes.

Materiālu zinātne ir tuvāk bioloģiskie datori, izmantojot DNS līdzīgas struktūras, lai veiktu matemātiku. Nanotehnoloģijas un 'Programmējams jautājums' tuvojas punktam, nevis apstrādā “datus”, pats materiāls saturēs, attēlos un apstrādā informāciju.

Kopumā skaitļošanas zinātniekam tā ir drosmīga jauna pasaule. Kur, jūsuprāt, tas viss notiek? Parunāsim par to komentāros!

Foto kredīti:KL Intel Pentium A80501 Autors: Konstantīns Lanzet, Asci sarkans - tflop4m iesniedza ASV valdība - Sandijas Nacionālās laboratorijas, DWave D2 Autors: Vankūveras saule, DWave 128 čips Autors: D-Wave Systems, Inc., Ceļojoša pārdevēja problēma autors Randall Munroe (XKCD)