Kuinka optiset ja kvantitietokoneet toimivat?

Mainos

Tietojenkäsittelyhistoria on täynnä floppeja.

Apple III hänellä oli ilkeä tapa keittää itse muodonmuutoskuoressaan. Atari Jaguar, "innovatiivinen" pelikonsoli, jolla oli vääriä väitteitä sen suorituskyvystä, ei vain pystynyt tarttumaan markkinoihin. Intelin lippulaiva Pentium-sirulla, joka on suunniteltu korkean suorituskyvyn kirjanpito-sovelluksiin, oli vaikeudet desimaalilukujen kanssa.

Mutta toinen tyyppi floppi, joka vallitsee laskennan maailmassa on FLOPS mittaus, kauan pidetty kohtuullisen oikeudenmukaisena vertailuna eri koneiden, arkkitehtuurien ja järjestelmien välillä.

FLOPS on mitata liukuvan arvon operaatioita sekunnissa. Yksinkertaisesti sanottuna, se on laskentajärjestelmän nopeusmittari. Ja se on ollut kasvaa eksponentiaalisesti vuosikymmenien ajan.

Entä jos sanoisin, että muutaman vuoden kuluttua sinulla on järjestelmä, joka istuu pöydälläsi, televisiossasi tai puhelimessa, joka pyyhkii nykyisten supertietokoneiden lattian? Uskomaton? Olen hullu? Katso historiaa ennen kuin tuomari.

Supertietokone supermarkettiin

Äskettäinen Intel i7 Haswell Joten mitä eroa Intelin Haswell- ja Ivy Bridge -suorittimilla on?Etsitkö uutta tietokonetta? Uuden Intel-pohjaisen kannettavan tai pöytätietokoneen ostajien on tiedettävä erot viimeisen ja uusimman Intel-prosessorin sukupolven välillä. Lue lisää prosessori voi suorittaa noin 177 miljardia euroa FLOPS (GFLOPS), joka on nopeampi kuin Yhdysvaltojen nopein supertietokone vuonna 1994, Sandia National Labs XP / s140 3 680 laskennallisen ytimen kanssa.

PlayStation 4 voi edistyneiden ominaisuuksiensa ansiosta toimia noin 1,8 biljoonaa FLOPSia Solun mikroarkkitehtuuri, ja olisivat lyöneet 55 miljoonaa dollaria ASCI Red supertietokone, joka kärjistyi maailmanlaajuisen supertietokoneliigaan vuonna 1998, melkein 15 vuotta ennen PS4: n julkaisua.

IBM: n Watson AI -järjestelmä IBM paljastaa vallankumouksellisen "aivot sirulla"Viime viikolla julkaistiin Science-artikkelissa, "TrueNorth" tunnetaan nimellä "neuromorfinen siru" - tietokonepiiri, joka on suunniteltu jäljittelemään biologisia neuroneja, käytettäväksi älykkäissä tietokonejärjestelmissä, kuten Watson. Lue lisää on (nykyinen) huippukäyttö 80 TFLOPS, ja se ei ole läheskään lähellä sitä, että pääsemme sen 500 parhaan luettelon nykypäivän supertietokoneisiin, Kiinalainen Tianhe-2 nousi top 500: een kolmena peräkkäisenä peräkkäisenä vuotena, huipputehokkuus oli 54,902 TFLOPS tai lähes 55 Peta-FLOPS.

Iso kysymys on, missä on seuraava työpöytäkokoinen supertietokone Uusin tietotekniikka, joka sinun täytyy nähdä uskoaksesiTutustu uusimpaan tietotekniikkaan, joka on asetettu muuttamaan elektroniikan ja tietokoneiden maailmaa seuraavien vuosien aikana. Lue lisää tulevatko kotoisin? Ja mikä tärkeintä, milloin saamme sen?

Toinen tiili valuseinässä

Lähihistoriassa näiden vaikuttavien nopeusvoittojen väliset voimat ovat olleet materiaalitieteessä ja arkkitehtuurisuunnittelussa; pienemmät nanometrimittakaavan valmistusprosessit tarkoittavat, että sirut voivat olla ohuempia, nopeampia ja vähentää energiaa lämmön muodossa, mikä tekee niistä halvemman käytön.

Lisäksi kehitettäessä moniytimisiä arkkitehtuureja 2000-luvun lopulla, monet ”prosessorit” puristetaan nyt yhdelle sirulle. Tämä tekniikka yhdistettynä hajautettujen laskentajärjestelmien kasvavaan kypsyyteen, missä niitä on paljon "Tietokoneet" voivat toimia yhtenä koneena, mikä tarkoittaa, että Top 500 on aina kasvanut, vain pitämisen suhteen tahdissa Mooren kuuluisa laki.

Kuitenkin fysiikan lait alkavat olla tiellä kaikelle kasvulle, jopa Intel on huolissaan siitä, ja monet ympäri maailmaa etsivät seuraavaa asiaa.

… Noin kymmenessä vuodessa näemme Mooren lain romahtavan. Itse asiassa jo näemme Mooren lain hidastumisen. Tietokoneen teho ei yksinkertaisesti pysty ylläpitämään nopeaa eksponentiaalista nousua vakiona piitekniikan avulla. - DR. Michio Kaku – 2012

Nykyisen prosessointisuunnittelun perusongelma on, että transistorit ovat joko päällä (1) tai pois päältä (0). Joka kerta a transistorin portti "Läppä", sen on karkotettava tietty määrä energiaa materiaaliin, josta portti on tehty, jotta "läppä" pysyisi. Kun nämä portit pienenevät, transistorin ja energian välinen suhde on energia transistorin "kääntämistä" varten kasvaa ja kasvaa, mikä luo huomattavaa lämmitystä ja luotettavuutta ongelmia. Nykyiset järjestelmät lähestyvät - ja joissain tapauksissa ylittävät - ydinreaktorien raakalämpötiheyttä, ja materiaalit alkavat epäonnistua suunnittelijoillaan. Tätä kutsutaan klassisesti 'Voimaseinä'.

Viime aikoina jotkut ovat alkaneet miettiä eri tavalla, kuinka suorittaa hyödyllisiä laskelmia. Erityisesti kaksi yritystä on kiinnittänyt huomioimme kvantti- ja optisen laskennan edistyneisiin muotoihin. kanadalainen D-Wave-järjestelmät ja Yhdistyneessä kuningaskunnassa Optalysys, joilla molemmilla on erittäin erilaisia ​​lähestymistapoja hyvin erilaisiin ongelmajoukkoihin.

Aika vaihtaa musiikkia

D-Wave sai paljon lehdistöä viime aikoina heidän superjäähdytetyllä pahaenteisellä mustalla laatikollaan, jossa on erittäin cyberpunk-sisustuspiikki, joka sisältää arvoituksellisen alastoman sirun, jolla on vaikeasti kuviteltavissa olevia voimia.

Pohjimmiltaan D2-järjestelmä lähestyy täysin erilaista lähestymistapaa ongelmanratkaisuun heittämällä tehokkaasti syy-seuraussääntökirja. Mihin ongelmiin tämä Google / NASA / Lockheed Martin tukee behemothia?

Rambling Man

Historiallisesti, jos haluat ratkaista NP-kova tai keskitason ongelma, joissa on erittäin suuri määrä mahdollisia ratkaisuja, joilla on laaja potentiaalivalinta, "arvojen" käyttäminen klassisella lähestymistavalla ei yksinkertaisesti toimi. Otetaan esimerkiksi Traveling Salesman -ongelma; annetuille N-kaupungeille löytää lyhin polku käydä kaikissa kaupungeissa kerran. On tärkeää huomata, että TSP on tärkeä tekijä monilla aloilla, kuten mikrosirun valmistus, logistiikka ja jopa DNA-sekvensointi,

Mutta kaikki nämä ongelmat katoavat ilmeisen yksinkertaiselta prosessilta; Valitse piste, josta aloitat, luo reitti N 'asioiden' ympärille, mittaa etäisyys ja jos sellainen on reitti, joka on sitä lyhyempi, hylkää yritetyn reitin ja siirry seuraavaan, kunnes enää ei ole reittejä tarkistaa.

Tämä kuulostaa helposti, ja pienille arvoille se on; Kolmessa kaupungissa on 3 * 2 * 1 = 6 tarkistettavaa reittiä, seitsemässä kaupungissa on 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, mikä ei ole liian huono tietokoneen käsittelemistä varten. Tämä on kertoma sekvenssi, ja voidaan ilmaista ”N!”, joten 5040 on 7 !.

Mennessä kuitenkin vain vähän pidemmälle kymmeneen käyntikaupunkiin, sinun on testattava yli 3 miljoonaa reittiä. Siihen mennessä, kun saavutat 100, tarkistettavien reittien lukumäärä on 9, jota seuraa 157 numeroa. Ainoa tapa tarkastella tällaisia ​​funktioita on käyttää logaritmista kuvaajaa, jossa y-akseli alkaa kohdasta 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3). ) ja niin edelleen.

Numerot vain muuttuvat liian suuriksi, jotta niitä voidaan kohtuudella käsitellä millä tahansa nykyisellä koneella tai joka voi olla olemassa klassista laskenta-arkkitehtuuria käyttämällä. Mutta mitä D-Wave tekee, on hyvin erilaista.

Vesuvius nousee

Vesuvius-siru D2 käyttää noin 500 'kubittien'Tai kvanttibitit näiden laskelmien suorittamiseksi kutsutulla menetelmällä Kvanttihehkutus. Sen sijaan, että mitataan kutakin reittiä kerrallaan, Vesuvius Qubits asetetaan superpositiotilaan (ei päälle eikä pois päältä, toimivat) yhdessä eräänlaisena potentiaalikentänä) ja sarja yhä monimutkaisempia algebrallisia ratkaisun kuvauksia (ts. sarja of Hamiltonin ratkaisun kuvauksia, ei itse ratkaisua) sovelletaan superpositiokenttään.

Itse asiassa järjestelmä testaa jokaisen potentiaalisen ratkaisun soveltuvuutta samanaikaisesti, kuten pallo, joka "päättää" mistä mäestä alas menee. Kun superpositio rentoutetaan perustilaan, sen kvbitin perustilan tulisi kuvata optimaalinen ratkaisu.

Monet ovat kysyneet, kuinka suurta hyötyä D-Wave-järjestelmä tarjoaa tavanomaiseen tietokoneeseen verrattuna. Äskettäisessä testissä, joka koski tyypillistä Traveling Saleman -ongelmaa, joka kesti 30 minuuttia klassisella tietokoneella, kesti vain puoli sekuntia Vesuviuksella.

On kuitenkin selvää, että tämä ei tule koskaan olemaan järjestelmä, jolla Doom-peliä pelataan. Jotkut kommentaattorit yrittävät vertaa tätä erittäin erikoistunutta järjestelmää yleiskäyttöiseen prosessoriin. Sinun olisi parempi verrata Ohio-luokkaan sukellusvene F35 Salama; kaikki valitsemasi tiedot yhdelle ovat niin sopimattomia toiselle kuin hyödytöntä.

D-Wave kelloutuu useita kertaluokkia nopeammin erityisiin ongelmiinsa verrattuna tavalliseen prosessoriin ja FLOPS arviot vaihtelevat suhteellisen vaikuttava 420 GFLOPS mielenkiintoiselle 1,5 Peta-FLOPS: lle (Laittamalla se vuoden 2013 kymmenen parhaan supertietokoneen luetteloon viimeisen julkisen prototyypin aikaan). Mikäli jotain, tämä ero korostaa FLOPS: n lopun alkua yleisenä mittauksena, kun sitä sovelletaan tiettyihin ongelma-alueisiin.

Tämä laskenta-alue on suunnattu hyvin erityiseen (ja erittäin mielenkiintoiseen) ongelmajoukkoon. Huolestuttavaa, että yksi tämän alan ongelmista on kryptografia Kuinka salata Gmail, Outlook ja muu WebmailSähköpostitilit pitävät avaimet henkilökohtaisiin tietoihisi. Näin salat Gmail-, Outlook.com- ja muut sähköpostitilisi. Lue lisää - erityisesti julkisen avaimen salaustekniikka.

Onneksi D-Wave-sovelluksen toteuttaminen näyttää keskittyneen optimointialgoritmeihin, ja D-Wave teki joitain suunnittelupäätöksiä (kuten sirun hierarkkinen vertailurakenne), jotka osoita, että et voinut käyttää Vesuvius ratkaistaan Shorin algoritmi, joka mahdollisesti avaa Internetin niin pahasti se tekisi Robert Redfordista ylpeä.

Lasermatematiikka

Toinen yritys luettelossamme on Optalysys. Tämä brittiläinen yhtiö ottaa laskennan ja kääntää sen päähänsä käyttämällä analogista valon superpositiota suorittaakseen tietyt laskentaluokat käyttämällä itse valon luonnetta. Seuraava video kuvaa joitain Optalysys - järjestelmän taustaa ja perusteita, esittelijä Prof. Heinz Wolff.

Se on hiukan käsi-aaltoileva, mutta pohjimmiltaan se on laatikko, joka toivottavasti istuu jonain päivänä pöydälläsi ja tarjota laskentatuki simulaatioille, CAD / CAM: lle ja lääketieteelliselle kuvantamiselle (ja ehkä, ehkä vain tietokoneelle) pelit). Kuten Vesuvius, mikään tapa ei ole, että Optalysys-ratkaisu aikoo suorittaa valtavirran laskentatehtäviä, mutta siihen ei ole suunniteltu.

Hyödyllinen tapa ajatella tätä optisen prosessoinnin tyyliä on ajatella sitä kuten fyysistä graafista prosessointiyksikköä (GPU). Moderni GPU Opi tuntemaan grafiikkakiihdytinsi yksityiskohtaisesti GPU-Z: n avulla [Windows]GPU tai grafiikan prosessointiyksikkö on tietokoneesi osa, joka vastaa grafiikan käsittelystä. Toisin sanoen, jos pelit ovat katkelmia tietokoneellasi tai se ei pysty käsittelemään erittäin korkealaatuisia asetuksia, ... Lue lisää Käytämme monia monia suoratoistoprosessoreita samanaikaisesti, suorittaen saman laskennan erilaisille tiedoille, jotka tulevat muistin eri alueilta. Tämä arkkitehtuuri tuli luonnollisena seurauksena siitä, miten tietokonegrafiikka luodaan, mutta tätä massiivisesti rinnakkaista arkkitehtuuria on käytetty kaikkeen korkeataajuuskauppa, Keinotekoiset hermostoverkot.

Optalsys ottaa samanlaiset periaatteet ja muuntaa ne fyysiseksi väliaineeksi; datan osioinnista tulee säteenjako, lineaarisesta algebrasta tulee kvanttihäiriöt, MapReduce-tyylin toiminnoista tulee optisia suodatusjärjestelmiä. Ja kaikki nämä toiminnot toimivat vakiona, tosiasiallisesti hetkessä.

Alkuperäinen prototyyppilaite käyttää 20Hz: n 500 × 500 -elementtiristikkoa nopeiden Fourier-muunnosten suorittamiseen (pohjimmiltaan ”mitkä taajuudet ilmestyvät tähän syöttövirtaan?”) ja on antanut heikentävän ekvivalentin of 40 GFLOPS. Kehittäjät kohdistavat 340 GFLOPS -järjestelmään ensi vuonna, joka arvioidun virrankulutuksen perusteella olisi vaikuttava pistemäärä.

Joten missä minun musta laatikko on?

tietojenkäsittelyn historia Lyhyt historia tietokoneista, jotka muuttivat maailmaaVoit viettää vuosia tutkimalla tietokoneen historiaa. Niistä on tonnia keksintöjä, tonnia kirjoja - ja se on ennen kuin aloitat sormen osoittamisen, joka väistämättä tapahtuu, kun ... Lue lisää osoittaa meille, että se, mikä on alun perin tutkimuslaboratorioiden ja valtion virastojen varaus, muuttuu nopeasti kuluttajalaitteistoksi. Valitettavasti tietojenkäsittelyn historiassa ei ole vielä tarvinnut käsitellä fysiikan lakien rajoituksia.

Henkilökohtaisesti en usko, että D-Wave ja Optalysys tulevat olemaan tarkka tekniikka, jota meillä on työpöydällämme 5-10 vuoden kuluttua. Ajattele, että ensimmäinen tunnistettavissa "Älykello" paljastettiin vuonna 2000 ja epäonnistui surkeasti; mutta tekniikan ydin jatkuu tänään. Samoin nämä etsinnät kvantti- ja optisiin tietokonekiihdyttimiin päättyvät todennäköisesti alaviitteinä 'seuraavassa suuressa asiassa'.

Materiaalitiede on lähempänä biologiset tietokoneet, käyttämällä DNA: n kaltaisia ​​rakenteita matematiikan suorittamiseen. Nanoteknologia ja 'Ohjelmoitava asia' lähestyy pistettä, sen sijaan että käsittelisi "dataa", materiaali itsessään sisältää, edustaa ja käsittelee tietoja.

Kaiken kaikkiaan se on rohkea uusi maailma laskennalliselle tutkijalle. Minne luulet tämän olevan menossa? Keskustelemme siitä kommentissa!

Kuvahyvitykset:KL Intel Pentium A80501 esittäjä (t): Konstantin Lanzet Asci punainen - tflop4m esittäjä Yhdysvaltain hallitus - Sandia National Laboratories, DWave D2 kirjoittanut: Vancouver Sun, DWave 128-siru kirjoittanut: D-Wave Systems, Inc., Matkustava myyntimies -ongelma kirjoittanut: Randall Munroe (XKCD)