Kako delujejo optični in kvantni računalniki?

Oglas

Zgodovina računalništva je polna Flops-ov.

The Apple III imela je grdo navado kuhanja samega sebe v deformirani lupini. The Atari Jaguar, "inovativna" igralna konzola, ki je imela nekaj lažnih trditev o svojem delovanju, preprosto ni mogla zajeti trga. Intelov vodilni čip Pentium, zasnovan za visokozmogljive računovodske aplikacije težave z decimalnimi števili.

Toda druga vrsta flopa, ki prevladuje v svetu računalništva, je LEPOTE meritev, dolgo pozdravila kot dokaj poštena primerjava med različnimi stroji, arhitekturo in sistemi.

FLOPS je merilo operacij s plavajočo vejico na sekundo. Preprosto povedano, to je merilnik hitrosti za računalniški sistem. In bilo je desetletja eksponentno raste.

Kaj pa, če bi vam rekel, da boste čez nekaj let na svoji mizi ali televizorju ali telefonu sedeli sistem, ki bi vam izbrisal tla današnjih superračunalnikov? Neverjetno? Jaz sem nor? Oglejte si zgodovino, preden presodite.

Superračunalnik v Supermarket

Nedavni Intel i7 Haswell Kakšna je torej razlika med Intelovimi procesorji Haswell in Ivy Bridge?

Iščete nov računalnik? Tisti, ki kupujejo nov prenosni računalnik ali namizje, ki poganja Intel, morajo poznati razlike med zadnjo in najnovejšo generacijo Intelovih procesorjev. Preberi več procesor lahko opravlja približno 177 milijard FLOPS (GFLOPS), ki je hitrejši od najhitrejšega superračunalnika v ZDA leta 1994, Sandia National Labs XP / s140 skupaj ima 3.680 računalniških jeder.

PlayStation 4 zahvaljujoč naprednemu lahko deluje pri približno 1,8 bilijona FLOPS Mikro arhitektura celic, in bi nastopil 55 milijonov USD ASCI rdeče superračunalnik, ki je leta 1998 vodil v svetovni ligi superračunalnikov, skoraj 15 let pred izdajo PS4.

IBM-ove Watson AI sistem IBM predstavil revolucionarni "Možgani na čipu"Pretekli teden objavljen v članku Science, je "TrueNorth" tisto, kar je znano kot "nevromorfni čip" - računalniški čip, namenjen imitaciji bioloških nevronov, za uporabo v inteligentnih računalniških sistemih, kot so Watson. Preberi več ima (trenutno) maksimalno delovanje 80 TFLOPS, in to je niti približno blizu, da bi ga uvrstili na seznam 500 najboljših današnjih superračunalnikov, z Kitajski Tianhe-2 je v zadnjih treh zaporednih priložnostih vodil Top 500 z najvišjo uspešnostjo v letu 2007 54,902 TFLOPS ali skoraj 55 Peta-FLOPS.

Veliko vprašanje je, kje je naslednje namizni računalnik velikosti namizja Najnovejša računalniška tehnologija, ki jo morate videti, da bi verjeliOglejte si nekaj najnovejših računalniških tehnologij, ki bodo v naslednjih nekaj letih preoblikovale svet elektronike in osebnih računalnikov. Preberi več bo prišel? In kar je še pomembneje, kdaj ga bomo dobili?

Še ena opeka v zidu moči

V novejši zgodovini so bile gonilne sile med temi impresivnimi dosežki hitrosti v naravoslovju in arhitekturi; Manjši nanometrski proizvodni procesi pomenijo, da so čipi lahko tanjši, hitrejši in v toploto spustijo manj energije, zaradi česar so lahko cenejši.

Tudi z razvojem večjedrnih arhitektur v poznih 2000-ih je mnogo "procesorjev" zdaj stisnjenih na en čip. Ta tehnologija v kombinaciji z naraščajočo zrelostjo porazdeljenih računskih sistemov, kjer je veliko "Računalniki" lahko delujejo kot en sam stroj, kar pomeni, da je Top 500 vedno naraščal, kar zadeva ohranjanje tempo s Mooreov slavni zakon.

Vendar pa zakoni fizike začenjajo ovirati vso to rast, celo Intel je zaskrbljen zaradi tegain mnogi po vsem svetu lovijo naslednjo stvar.

… Čez približno deset let bomo opazili Moorsov zakon. Pravzaprav že opažamo upočasnitev Moorovega zakona. Računalniška moč preprosto ne more vzdrževati svojega hitrega eksponentnega vzpona s standardno tehnologijo silicija. - Dr. Michio Kaku – 2012

Temeljna težava trenutne zasnove obdelave je, da so tranzistorji vklopljeni (1) ali izključeni (0). Vsakič a tranzistorska vrata "Prevrača", mora izgnati določeno količino energije v material, iz katerega so izdelana vrata, da se ta "prevrne" ostane. Ko so ta vrata manjša in manjša, je razmerje med energijo za uporabo tranzistorja in energije za "prevračanje" tranzistorja postaja vse večji in večji, kar ustvarja večje ogrevanje in zanesljivost težave. Trenutni sistemi se približujejo - in v nekaterih primerih tudi presegajo - surovo gostoto toplote jedrskih reaktorjev in materialov njihovi projektanti začenjajo izpadati. Temu se klasično reče 'Power Wall'.

V zadnjem času so nekateri začeli drugače razmišljati o tem, kako izvesti uporabne izračune. Zlasti dve podjetji sta pritegnili našo pozornost na področju naprednih oblik kvantnega in optičnega računanja. Kanadski D-Wave sistemi in s sedežem v Veliki Britaniji Optalysys, ki imata oba zelo različna pristopa do zelo različnih skupin problemov.

Čas za spremembo glasbe

D-Wave je v zadnjem času doživel veliko pritiska, njihova super ohlajena zlonamerna črna škatla z izjemno cyberpunk notranjostjo konico, ki vsebuje skrivnostni goli čip s težko zamislljivimi močmi.

Sistem D2 je v bistvu popolnoma drugačen pristop k reševanju problemov, saj učinkovito vrže pravilnik o vzrokih in posledicah. Na kakšne težave je ta podporni strežnik Google / NASA / Lockheed Martin usmerjen?

The Rambling Man

Če želite rešiti rešitev NP-Hard ali vmesna težava, kjer obstaja izjemno veliko možnih rešitev, ki imajo širok razpon potenciala, z uporabo "vrednosti" klasični pristop preprosto ne deluje. Vzemimo za primer problem potovalnega prodajalca; glede na N-mesta poiščite najkrajšo pot, ki jo boste obiskali vsa mesta enkrat. Pomembno je opozoriti, da je TSP pomemben dejavnik na mnogih področjih, kot so izdelava mikročipov, logistika in celo zaporedje DNK,

Toda vse te težave segajo v očitno preprost postopek; Izberite točko, za začetek ustvarite pot okoli N 'stvari', izmerite razdaljo in če obstaja poti, ki je krajša od nje, zavrzite poskusno pot in nadaljujte na naslednjo, dokler ni več poti preveriti.

To se sliši enostavno, za majhne vrednosti pa je; za 3 mesta je na voljo 3 * 2 * 1 = 6 poti za preverjanje, za 7 mest je 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, kar za računalnik ni preveč slabo. To je a Faktorski zaporedje in se lahko izrazi kot "N!", torej 5040 je 7 !.

Ko pa boste šli le malo naprej, do desetih mest, ki jih želite obiskati, morate preizkusiti več kot 3 milijone poti. Ko pridete do 100, vam sledi 9 poti, ki jih morate preveriti 157 števk. Edini način za pregled takšnih funkcij je uporaba logaritmičnega grafa, kjer se os y začne s 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3) ) in tako naprej.

Številke postanejo prevelike, da bi jih bilo mogoče razumno obdelati na katerem koli računalniku, ki obstaja danes ali lahko obstaja s klasičnimi računalniškimi arhitekturami. Toda to, kar počne D-Wave, je zelo drugačno.

Vezuv izhaja

Čip Vesuvius v D2 porabi približno 500 'qubits'Ali Quantum Bits za izvajanje teh izračunov z metodo, imenovano Kvantno žarjenje. Namesto da bi merili vsako pot hkrati, so Vezuvi Qubiti nastavljeni v stanje superpozicije (ne vklopljeno ali izklopljeno, delujoče skupaj kot nekakšno potencialno polje) in niz vse bolj zapletenih algebričnih opisov rešitve (t.j. niz od Hamiltonski v polju superpozicije se uporabijo opisi raztopine, ne same rešitve).

Sistem dejansko preizkuša primernost vsake potencialne rešitve hkrati, kot žogica, ki 'odloča', kako se spustiti po hribu. Ko se superpozicija sprosti v osnovno stanje, bi moralo to osnovno stanje kitov opisati optimalno rešitev.

Mnogi so se spraševali, koliko prednosti ima sistem D-Wave pred običajnim računalnikom. V nedavnem testu platforme proti tipični težavi Travelman Saleman, ki je trajala 30 minut za klasični računalnik, Vzela je le pol sekunde na Vezuvu.

Vendar, da bo jasno, to nikoli ne bo sistem, v katerem igrate Doom. Nekateri komentatorji se trudijo primerjajte ta visoko specializirani sistem s splošnim procesorjem. Bolje bi bilo, če primerjate an Ohio-razred podmornica s F35 strele; katera koli meritev, ki jo izberete za eno, je za drugo tako neprimerna, da je neuporabna.

D-Wave se v specifičnih težavah v primerjavi z običajnim procesorjem in FLOPS hitreje uveljavlja za več vrst velikosti hitreje zaradi svojih specifičnih težav. ocene segajo od relativno impresivnih 420 GFLOPS do neverjetnih 1,5 Peta-FLOPS (uvrstitev na seznam najboljših 10 računalnikov leta 2013 v času zadnjega javnega prototipa). Če ničesar, to neskladje poudarja začetek konca FLOPS-a kot univerzalno merjenje, kadar se uporablja za določena problematična področja.

To področje računalništva je usmerjeno v zelo specifičen (in zelo zanimiv) sklop težav. Zaskrbljujoče je, da je ena od težav v tej sferi kriptografija Kako šifrirati Gmail, Outlook in drugo spletno poštoE-poštni računi hranijo ključe vaših osebnih podatkov. Tukaj je opisano, kako šifrirati Gmail, Outlook.com in druge poštne račune. Preberi več - posebej kriptografija javnega ključa.

Na srečo se zdi, da je izvedba D-Wave usmerjena v algoritme za optimizacijo, D-Wave pa je sprejel nekaj oblikovalskih odločitev (na primer hierarhično peering strukturo na čipu), ki označite, da je niste mogli uporabiti Vezuv za reševanje Kratki algoritem, ki bi lahko tako slabo odklenil internet zaradi tega je Robert Redford ponosen.

Laserske matematike

Drugo podjetje na našem seznamu je Optalysys. To podjetje s sedežem v Veliki Britaniji opravlja računalništvo in ga obrača na glavo z uporabo analogne superpozicije svetlobe za izvajanje določenih razredov računanja z uporabo same narave svetlobe. Spodnji video prikazuje nekaj ozadja in osnov sistema Optalysys, ki jih je predstavil Prof. Heinz Wolff.

To je malce ročno mahanje, v bistvu pa je škatla, ki bo nekega dne sedela za vašo mizo in zagotovite računalniško podporo za simulacije, CAD / CAM in medicinsko slikanje (in morda, samo morda, računalnik igre). Tako kot Vesuvius tudi ni mogoče, da bo rešitev Optalysys izvajala glavne računalniške naloge, vendar to ni tisto, za kar je zasnovana.

Koristni način razmišljanja o tem slogu optične obdelave je razmišljanje o njem kot fizični grafični procesor (GPU). Sodoben GPU Spoznajte svoj grafični pospeševalnik v močnih podrobnostih z GPU-Z [Windows]GPU ali grafična procesna enota je del vašega računalnika, ki je zadolžen za ravnanje z grafiko. Z drugimi besedami, če so igre v vašem računalniku nastrojene ali če ne prenese zelo kakovostnih nastavitev, ... Preberi več Vzporedno uporabljajo številne številne pretočne procesorje, ki izvajajo isto računanje na različnih podatkih, ki prihajajo iz različnih področij pomnilnika. Ta arhitektura je bila naravni rezultat načina ustvarjanja računalniške grafike, vendar je bila ta množično vzporedna arhitektura uporabljena za vse, od kar naprej trgovanje z visoko frekvenco, do Umetna nevronska omrežja.

Optalsys ima podobna načela in jih prevede v fizični medij; razdelitev podatkov postane delitev žarka, linearna algebra postane kvantne interference, Funkcije v slogu MapReduce postanejo optični filtrirni sistemi. In vse te funkcije delujejo v stalnem, učinkovito trenutnem času.

Začetna prototipna naprava uporablja 20Hz 500 × 500 elementno mrežo za izvajanje hitre Fourierjeve transformacije (v bistvu "katere frekvence se pojavljajo v tem vhodnem toku?") in je prinesel enakovreden rezultat od 40 GFLOPS. Razvijalci ciljajo na sistem 340 GFLOPS do naslednje leto, kar bi glede na ocenjeno porabo energije predstavljalo impresivno oceno.

Kje je torej moja črna skrinjica?

The zgodovina računalništva Kratka zgodovina računalnikov, ki so spremenili svetLahko preživite leta in pokukate v zgodovino računalnika. Obstaja na tone izumov, na tone knjig o njih - in to še preden začnete kazati na prst, ki se neizogibno pojavi, ko ... Preberi več nam pokaže, da tisto, kar je sprva rezerva raziskovalnih laboratorijev in vladnih agencij, hitro zaide v strojno opremo potrošnikov. Žal se zgodovina računalništva še ni ukvarjala z omejitvami fizikalnih zakonov.

Osebno ne mislim, da bodo D-Wave in Optalysys točne tehnologije, ki jih imamo na mizah čez 5-10 let. Upoštevajte, da je prvi prepoznaven "Pametna ura" je bila razkrita leta 2000 in neuspešno propadla; toda bistvo tehnologije se nadaljuje še danes. Prav tako bodo ta raziskovanja kvantnih in optičnih računalniških pospeševalnikov verjetno končala kot opombe v „naslednji veliki stvari“.

Znanost o materialih se bliža biološki računalniki, z uporabo DNA podobnih struktur za izvajanje matematike. Nanotehnologija in „Programirana zadeva“ približuje se vprašanju in ne obdelavi podatkov, material bo vseboval, predstavljal in obdeloval informacije.

Na splošno je to nov svet pogumni računalniški znanstvenik. Kje mislite, da to vse gre? O tem klepetajmo v komentarjih!

Fotografski krediti:KL Intel Pentium A80501 Konstantin Lanzet, Asci rdeča - tflop4m ameriška vlada - Sandia National Laboratories, DWave D2 avtor Vancouver Sun, DWave 128chip avtor: D-Wave Systems, Inc., Problem potovalnega prodajalca avtor Randall Munroe (XKCD)