Cum funcționează calculatoarele optice și cuantice?

Istoria calculatorului este plină de Flops.

Apple III avea un obicei urât să se gătească în cochilia deformată. Atari Jaguar, o consolă de jocuri "inovatoare" care a avut niște pretenții false despre performanța sa, nu a putut să apuce piața. Cipul Intel Pentium, conceput pentru aplicații contabile de înaltă performanță, a avut dificultăți cu numere zecimale.

Dar celălalt tip de flop care predomină în lumea computerelor este măsurarea FLOPS, mult apreciată ca o comparație relativ corectă între diferite mașini, arhitecturi și sisteme.

FLOPS este o măsură a Operațiunilor în virgulă mobilă pe secundă. Puneți pur și simplu, este vitezometrul pentru un sistem de calcul. Și a crescut exponențial de zeci de ani.

Și dacă ți-aș spune că în câțiva ani vei avea un sistem așezat pe biroul tău, în televizor sau în telefon, care ar șterge podeaua supercomputerelor de astăzi? Incredibil? Sunt un nebun? Aruncați o privire la istorie înainte de a vă judeca.

Supercomputer pentru supermarket

Un recent Intel i7 Haswell Deci, care este diferența dintre procesoarele Intel Haswell și Ivy Bridge? Deci, care este diferența dintre procesoarele Intel Haswell și Ivy Bridge? Căutați un computer nou? Cumpărătorii pentru un nou laptop sau desktop Intel trebuie să cunoască diferențele dintre ultima și ultima generație de procesoare Intel. Read More procesorul poate efectua aproximativ 177 miliarde FLOPS (GFLOPS), care este mai rapid decât cel mai rapid supercomputer din SUA în 1994, Sandia National Labs XP / s140 cu 3.680 nuclee de calcul care lucrează împreună.

Un PlayStation 4 poate funcționa la aproximativ 1,8 trilioane FLOPS datorită micro-arhitecturii sale avansate de celule și ar fi câștigat supercomputerul de 55 milioane de dolari ASCI Red care a depășit liga mondială a supercomputerelor în 1998, cu aproape 15 ani înainte de lansarea PS4.

Sistemul IBM Watson AI IBM dezvăluie "Brain on a Chip" revoluționar IBM dezvăluie "creierul pe chip" revoluționar Anunțat săptămâna trecută printr-un articol din Science, "TrueNorth" este ceea ce este cunoscut sub numele de "cip neuromorfic" - un cip de computer proiectat să imită neuronii biologici, pentru utilizarea în sisteme informatice inteligente precum Watson. Read More are o operațiune de vârf (actuală) 80 TFLOPS și nu este nici pe departe aproape de ao lăsa în top 500 lista supercomputerelor de astăzi, iar chinezul Tianhe-2 se află în top 500 în ultimele 3 ocazii consecutive, de 54.902 TFLOPS sau aproape 55 de Peta-FLOPS.

Întrebarea cea mare este: Unde este următorul supercomputer de dimensiuni de birou Tehnologia de ultimă oră pe care trebuie să o credeți pentru a crede cea mai recentă tehnologie de calculator pe care trebuie să o credeți Verificați câteva dintre cele mai noi tehnologii informatice care sunt transformate în lumea electronică și PC-uri în următorii câțiva ani. Citește mai mult de la care vor veni? Și mai important, când o obținem?

O altă cărămidă în zidul de putere

În istoria recentă, forțele motrice dintre aceste câștiguri impresionante în viteză au fost în domeniul științei materialelor și al arhitecturii; Procesele mai mici de fabricare la scară nanometrică înseamnă că chips-urile pot fi mai subțiri, mai repede și pot scadea mai puțină energie sub formă de căldură, ceea ce le face mai ieftine.

De asemenea, odată cu dezvoltarea arhitecturilor multi-core la sfârșitul anilor 2000, multe "procesoare" sunt acum stoarse pe un singur chip. Această tehnologie, combinată cu maturitatea crescândă a sistemelor de calcul distribuite, unde multe "calculatoare" pot funcționa ca o singură mașină, înseamnă că Top 500 a crescut mereu, doar pentru a ține pasul cu faimoasa Lege a lui Moore.

Cu toate acestea, legile fizicii încep să înfrângă toate aceste creșteri, chiar și Intel este îngrijorat de acest lucru, iar mulți din întreaga lume vânează următorul lucru.

... în aproximativ zece ani, vom vedea prăbușirea Legii lui Moore. De fapt, deja, vedem o încetinire a Legii lui Moore. Puterea calculatorului pur și simplu nu-și poate menține creșterea exponențială rapidă folosind tehnologia standard de siliciu. - Dr. Michio Kaku - 2012

Problema fundamentală cu proiectarea curentă a procesării este aceea că tranzistorii sunt fie pe (1), fie pe off (0). De fiecare dată când o poartă de tranzistor "se răstoarnă", trebuie să expulzeze o anumită cantitate de energie în materialul de la care este construită poarta, pentru ca acea "flip" să rămână. Pe măsură ce aceste porți devin mai mici și mai mici, raportul dintre energia de utilizare a tranzistorului și energia pentru a "răsturna" tranzistorul devine mai mare și mai mare, generând probleme majore de încălzire și fiabilitate. Sistemele actuale se apropie - și, în unele cazuri, depășesc - densitatea brută de căldură a reactoarelor nucleare, iar materialele încep să se defecteze de designerii lor. Acesta este clasic numit "Wall Power".

Recent, unii au început să gândească diferit despre cum să realizeze calcule utile. Două companii în special ne-au atras atenția în ceea ce privește formele avansate de calcul cuantic și optic. Canadian D-Wave Systems și Optalysys din Marea Britanie, ambii având abordări extrem de diferite față de seturi de probleme foarte diferite.

Este timpul să modificați muzica

D-Wave a primit o mulțime de presă în ultima vreme, cu o cutie neagră răutăcioasă super-răcită, cu un spike extrem de cyberpunk, care conține un chip enigmatic gol, cu puteri greu de imaginat.

În esență, sistemul D2 adoptă o abordare complet diferită față de rezolvarea problemelor prin eliminarea efectivă a cărții de reguli cauze și efecte. Deci, ce fel de probleme este acest joc pe care Google / NASA / Lockheed Martin l-au sprijinit??

The Rambling Man

Din punct de vedere istoric, dacă doriți să rezolvați o problemă NP-Hard sau Intermediară, unde există un număr extrem de mare de soluții posibile care au o gamă largă de potențial, folosind "valori", abordarea clasică pur și simplu nu funcționează. Luați, de exemplu, problema Vânzătorului Călătorilor; date orașelor N, găsiți calea cea mai scurtă pentru a vizita o dată toate orașele. Este important de menționat că TSP este un factor major în multe domenii, cum ar fi fabricarea de microcipuri, logistică și chiar secvențierea ADN-ului,

Dar toate aceste probleme se aruncă într-un proces aparent simplu; Alegeți un punct pentru a începe, generați un traseu în jurul valorii de N 'lucruri, măsurați distanța și dacă există un traseu existent mai scurt decât acesta, aruncați ruta încercată și treceți la următoarea până când nu mai există rute pentru a verifica.

Sună ușor și, pentru valori mici, este; pentru 3 orașe există 3 * 2 * 1 = 6 rute pentru a verifica, pentru 7 orașe există 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, ceea ce nu este prea rău pentru un calculator să se ocupe. Aceasta este o secvență Factorial și poate fi exprimată ca “N!”, deci 5040 este 7!.

Cu toate acestea, până când mergeți puțin mai departe, în 10 orașe pe care trebuie să le vizitați, trebuie să testați peste 3 milioane de rute. Până când ajungeți la 100, numărul de rute pe care trebuie să îl verificați este de 9, urmat de 157 cifre. Singura modalitate de a analiza aceste funcții este folosirea unui grafic logaritmic, unde axa y începe la 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 ) si asa mai departe.

Numerele devin prea mari pentru a putea procesa în mod rezonabil pe orice mașină care există astăzi sau pot exista folosind arhitecturi clasice de calcul. Dar ceea ce face D-Wave este foarte diferit.

Vesuvius Emerges

Cipul Vesuvius din D2 utilizează aproximativ 500 de qubituri sau biți cuantice pentru a efectua aceste calcule folosind o metodă numită Quantum Annealing. Mai degrabă decât măsurarea fiecărei rute la un moment dat, Vesuvius Qubits sunt plasate într-o stare de superpoziție (nici pe și în afara, care operează împreună ca un fel de câmp potențial) și o serie de descrieri algebrice tot mai complexe ale soluției (adică o serie de Hamiltonian descrieri ale soluției, nu o soluție în sine) sunt aplicate câmpului de suprapunere.

De fapt, sistemul testează adecvarea fiecărei soluții potențiale simultan, ca o minge care "decide" ce modalitate de a merge pe un deal. Atunci când suprapunerea este relaxată într-o stare de bază, starea de bază a qubite-urilor ar trebui să descrie soluția optimă.

Mulți au pus la îndoială cât de mult avantajează sistemul D-Wave pe un computer convențional. Într-un test recent al platformei împotriva unei probleme tipice de călătorie a vânzătorului, care a durat 30 de minute pentru un calculator clasic, a durat doar o jumătate de secundă pe Vesuvius.

Cu toate acestea, pentru a fi clar, acest lucru nu va fi niciodată un sistem pe care îl jucați Doom pe. Unii comentatori încearcă să compare acest sistem foarte specializat cu un procesor cu scop general. Ar fi mai bine să compari un submarin din clasa Ohio cu fulgerul F35; orice metric pe care îl selectați pentru unul este atât de necorespunzător pentru celălalt încât să fie inutil.

D-Wave rulează cu mai multe ordini de mărime mai rapide pentru problemele sale specifice, comparativ cu un procesor standard, iar estimările FLOPS variază de la un 420 GFLOPS relativ impresionant la un 1.5 Peta-FLOPS (care îl plasează în Top 10 Supercomputer listă în 2013 la momentul ultimului prototip public). În caz contrar, această discrepanță evidențiază începutul sfârșitului FLOPS ca măsurătoare universală atunci când se aplică domeniilor specifice de problemă.

Această arie de calcul vizează un set foarte specific (și foarte interesant) de probleme. Îngrijorător, una dintre problemele din această sferă este criptografia Criptați-vă Gmail, Hotmail și alte tipuri de Webmail: Iată cum puteți cripta Gmail, Hotmail și alte tipuri de Webmail: Iată cum au apărut șocurile și uimirea de către Edward Snowden în gospodăriile americane, familiile au început să-și dea seama că comunicările lor nu erau la fel de private cum credeau inițial. Pentru a calma parțial unele ... Citește mai mult - în special Cryptography Key Public.

Din fericire, implementarea lui D-Wave se concentrează pe algoritmi de optimizare, iar D-Wave a luat câteva decizii de proiectare (cum ar fi structura de peering ierarhică pe chip) care indică faptul că nu puteai utiliza Vesuvius pentru a rezolva algoritmul lui Shor, atât de rău ar face-o pe Robert Redford mândră.

Math-uri laser

A doua companie de pe lista noastră este Optalysys. Această companie cu sediul în Regatul Unit ia calculul și o transformă pe cap, folosind suprapunerea analogică a luminii, pentru a efectua anumite clase de calcul utilizând natura luminii în sine. Videoclipul de mai jos demonstrează o parte din fundalul și fundamentele sistemului Optalysys, prezentate de prof. Heinz Wolff.

Este un pic de mână, dar, în esență, este o cutie care, sperăm, o să stea într-o zi pe biroul tău și să furnizeze suport de calcul pentru simulări, CAD / CAM și imagistică medicală (și poate, poate, doar jocuri pe calculator). La fel ca Vesuvius, nu există nici o modalitate prin care soluția Optalysys va efectua sarcini de calcul obișnuite, dar asta nu este ceea ce este proiectat pentru.

O modalitate utilă de a vă gândi la acest stil de prelucrare optică este să vă gândiți la ea ca la o unitate fizică de procesare grafică (GPU). Modern GPU-ul pentru a vă cunoaște Acceleratorul de grafică în detalii detaliate cu GPU-Z [Windows] Să cunoaștem acceleratorul dvs. de grafică în detalii detaliate cu GPU-Z [Windows] GPU-ul sau unitatea de procesare grafică este parte a computerului responsabil de manipulare grafică. Cu alte cuvinte, dacă jocurile sunt încurcate pe computerul dvs. sau nu se pot ocupa de setări de înaltă calitate, ... Read More utilizează multe procesoare de streaming în paralel, realizând același calcul pe diferite date provenind din diferite zone de memorie. Această arhitectură a venit ca rezultat natural al modului în care se generează grafica computerizată, dar această arhitectură masiv paralelă a fost utilizată pentru orice, de la tranzacționarea de înaltă frecvență la rețelele neuronale artificiale.

Optalsys ia principii similare și le traduce într-un mediu fizic; divizarea datelor devine divizarea fasciculului, algebra liniară devine interferență cuantică, funcțiile stilului MapReduce devin sisteme optice de filtrare. Și toate aceste funcții funcționează în timp constant, eficient, instantaneu.

Aparatul prototip inițial utilizează o grilă de elemente de 20 Hz 500 × 500 pentru a efectua transformări rapide Fourier (practic, “ce frecvențe apar în acest flux de intrare?”) și a livrat un echivalent covârșitor de 40 GFLOPS. Dezvoltatorii vizează un sistem GFLOPS 340 până în anul următor, care, având în vedere consumul estimat de energie, ar fi un scor impresionant.

Deci Unde este Cutia mea neagră?

Istoria computerelor O scurtă istorie a computerelor care au schimbat lumea O scurtă istorie a computerelor care au schimbat lumea Puteți petrece ani de zile în istoria calculatorului. Există tone de invenții, tone de cărți despre ele - și asta este înainte de a începe să ajungeți în degetul-indicând faptul că în mod inevitabil apare atunci când ... Citeste mai multe ne arată că ceea ce este inițial rezervă de laboratoare de cercetare și agențiile guvernamentale se transformă rapid în consumator hardware. Din păcate, istoria computerelor nu a trebuit să se ocupe cu limitările legilor fizicii.

Personal, nu cred că D-Wave și Optalysys vor fi tehnologiile exacte pe care le avem în birourile noastre în 5-10 ani. Luați în considerare faptul că prima recunoaște “Ceas inteligent” a fost dezvăluit în 2000 și a eșuat în mod mizerabil; dar esența tehnologiei continuă și astăzi. De asemenea, aceste explorări ale acceleratoarelor de calcul cuantice și optice vor ajunge, probabil, ca note de subsol în "următorul mare lucru".

Știința materialelor se apropie mai mult de computerele biologice, folosind structuri de tip ADN pentru a efectua matematică. Nanotehnologia și "materiile programabile" se apropie de punct, mai degrabă decât de prelucrare a "datelor", materialul însuși va conține, va reprezenta și va procesa informații.

În ansamblu, este o lume nouă curajoasă pentru un om de știință computațional. Unde crezi că totul merge? Să vorbim despre asta în comentariile!

Credite foto: KL Intel Pentium A80501 de Konstantin Lanzet, Asci roșu - tflop4m de către Guvernul SUA - Sandia National Laboratories, DWave D2 de The Vancouver Sun, DWave 128chip de D-Wave Systems, Inc.,

Explorați mai multe despre: CPU.