Optik ve Kuantum Bilgisayarlar nasıl çalışır?

İlan

Hesaplama geçmişi Floplarla doludur.

Elma III deforme olmuş kabuğunda kötü bir pişirme alışkanlığı vardı. Atari Jaguarperformansı hakkında bazı sahte iddiaları olan "yenilikçi" bir oyun konsolu, pazarı yakalayamadı. Intel’in yüksek performanslı muhasebe uygulamaları için tasarlanmış amiral gemisi Pentium çipi ondalık sayılarla zorluk.

Ancak bilgi işlem dünyasında hüküm süren diğer bir flop FLOPS ölçüm, uzun zaman farklı makineler, mimariler ve sistemler arasında makul bir karşılaştırma olarak selamladı.

FLOPS Saniyedeki Kayan Nokta İşlemlerinin bir ölçüsüdür. Basitçe söylemek gerekirse, bir bilgi işlem sisteminin hızölçeridir. Ve oldu on yıllar boyunca katlanarak büyüyor.

Birkaç yıl içinde, masanızın üzerinde, TV'nizde veya telefonunuzda, bugünün süper bilgisayarlarının zemini silecek bir sisteminizin olacağını söylesem ne olur? İnanılmaz? Ben deliyim mi? Yargılamadan önce tarihe bir bakın.

Süpermarkete Süper Bilgisayar

Yeni bir Intel i7 Haswell Peki Intel'in Haswell ve Ivy Bridge CPU'ları arasındaki fark nedir?

Yeni bir bilgisayar mı arıyorsunuz? Yeni bir Intel destekli dizüstü veya masaüstü bilgisayar satın alanların son ve en yeni nesil Intel işlemciler arasındaki farkları bilmesi gerekir. Daha fazla oku işlemci hakkında gerçekleştirebilir 177 milyar 1994 yılında ABD'deki en hızlı süper bilgisayardan daha hızlı olan FLOPS (GFLOPS), Sandia Ulusal Laboratuvarları XP / s140 3.680 bilgi işlem çekirdeği ile birlikte çalışıyor.

Bir PlayStation 4, gelişmiş sürümü sayesinde yaklaşık 1.8 Trilyon FLOPS'ta çalışabilir Hücre mikro mimarisive... 55 milyon dolar ASCI Kırmızı PS4'ün piyasaya sürülmesinden yaklaşık 15 yıl önce, 1998'de dünya çapında süper bilgisayar ligini dolduran süper bilgisayar.

IBM'in Watson AI Sistemi IBM Devrimci "Bir Çipte Beyin" i Ortaya ÇıkardıGeçen hafta Science'taki bir makaleyle yayınlanan "TrueNorth", "nöromorfik çip" olarak bilinen şeydir. gibi akıllı bilgisayar sistemlerinde kullanılmak üzere biyolojik nöronları taklit etmek için tasarlanmış bilgisayar çipi Watson. Daha fazla oku (mevcut) var pik çalışma 80 TFLOPSve bu, bugünün süper bilgisayarlarının İlk 500 listesine girmesine yakın bir yerde değil. Çin Tianhe-2 üst üste performans ile üst üste son 3 kez ilk 500'e 54,902 TFLOPS veya yaklaşık 55 Peta-FLOPS.

Büyük soru şu, bir sonraki nerede masaüstü boyutlu süper bilgisayar İnanmak İçin Görmeniz Gereken En Son Bilgisayar TeknolojisiÖnümüzdeki birkaç yıl içinde elektronik ve PC dünyasını dönüştürmek için ayarlanmış en yeni bilgisayar teknolojilerine göz atın. Daha fazla oku nereden gelecek? Ve daha da önemlisi, ne zaman alacağız?

Güç Duvarında Bir Tuğla Daha

Yakın tarihte, hızdaki bu etkileyici kazanımlar arasındaki itici güçler malzeme bilimi ve mimari tasarımında olmuştur; daha küçük nanometre ölçeğinde üretim süreçleri, talaşların daha ince, daha hızlı olabileceği ve ısı şeklinde daha az enerji tüketebileceği anlamına gelir ve bu da onları daha ucuz çalıştırır.

Ayrıca, 2000'lerin sonlarında çok çekirdekli mimarilerin gelişmesiyle birlikte, birçok "işlemci" artık tek bir yongaya sıkışmış durumda. Bu teknoloji, dağıtılmış hesaplama sistemlerinin artan olgunluğuyla birleştiğinde, "Bilgisayarlar" tek bir makine gibi çalışabilir, yani ilk 500'ün sürekli büyümeye devam ettiği anlamına gelir ayak uydurmak Moore’un ünlü yasası.

Ancak fizik yasaları tüm bu büyümenin önüne geçmeye başlıyor, hatta Intel bu konuda endişelive dünyadaki birçok kişi bir sonraki şey için avlanıyor.

… Yaklaşık on yıl içinde Moore Yasası'nın çöküşünü göreceğiz. Aslında, zaten Moore Yasası'nda bir yavaşlama görüyoruz. Bilgisayar gücü, standart silikon teknolojisini kullanarak hızlı üstel yükselişini sürdüremez. - Dr. Michio Kaku – 2012

Mevcut işleme tasarımındaki temel problem, transistörlerin açık (1) veya kapalı (0) olmasıdır. Her seferinde bir transistör kapısı "Döndürür" ise, kapının "çevirerek" kalmasını sağlamak için malzemenin içine belirli bir miktar enerji atması gerekir. Bu kapılar gittikçe küçüldükçe, transistörü kullanmak için enerji ile transistörü 'çevirmek' için enerji büyür ve büyür, büyük ısıtma ve güvenilirlik sağlar sorunları. Mevcut sistemler nükleer reaktörlerin ham ısı yoğunluğuna yaklaşmakta ve bazı durumlarda aşmaktadır ve malzemeler tasarımcılarında başarısız olmaya başlamaktadır. Buna klasik olarak "Güç Duvarı".

Son zamanlarda, bazıları yararlı hesaplamaların nasıl yapılacağı hakkında farklı düşünmeye başladı. Özellikle iki şirket, gelişmiş kuantum ve optik bilgi işlem biçimleriyle dikkatimizi çekti. Kanadalı D-Wave Sistemleri ve İngiltere merkezli Optalysysve her ikisinin de çok farklı problem setlerine son derece farklı yaklaşımları var.

Müziği Değiştirme Zamanı

D-Wave, son derece siberpunk iç başaklı, hayal edilmesi zor güçlere sahip esrarengiz bir çıplak çip içeren süper soğutmalı uğursuz siyah kutusu ile son zamanlarda çok fazla baskı yaptı.

Esasen, D2 sistemi neden-sonuç kural kitabını etkili bir şekilde atarak problem çözme için tamamen farklı bir yaklaşım benimser. Peki bu Google / NASA / Lockheed Martin, behemoth'u nasıl hedefliyor?

Hareketli Adam

Tarihsel olarak, bir NP-Sert veya Ara problemgeniş bir potansiyele sahip çok sayıda olası çözümün olduğu durumlarda, “yaklaşım” ı kullanarak klasik yaklaşım işe yaramıyor. Örneğin Gezgin Satıcı sorununu ele alalım; N-şehirler verildiğinde, tüm şehirleri bir kez ziyaret etmek için en kısa yolu bulun. TSP'nin mikroçip üretimi, lojistik ve hatta DNA sıralama gibi birçok alanda önemli bir faktör olduğunu belirtmek önemlidir.

Ancak tüm bu sorunlar, görünüşte basit bir sürece bağlanıyor; Başlamak için bir nokta seçin, N ‘şeylerin çevresinde bir rota oluşturun, mesafeyi ölçün ve varsa daha kısa bir rota seçerseniz, denenen rotayı atın ve daha fazla rota kalmayana kadar bir sonrakine geçin Kontrol.

Bu kulağa kolay geliyor ve küçük değerler için; 3 şehir için 3 * 2 * 1 = 6 rota kontrol edilir, 7 şehir için 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040 vardır, bu da bir bilgisayarın işlemesi için çok kötü değildir. Bu bir Çarpınım sekansı bulunur ve "N!" olarak ifade edilebilir, böylece 5040 7'dir !.

Ancak, biraz daha ilerlediğinizde, ziyaret etmek için 10 şehre, 3 Milyondan fazla rotayı test etmeniz gerekiyor. 100'e ulaştığınız zaman kontrol etmeniz gereken rota sayısı 9'dur ve bunu 157 basamak. Bu tür işlevlere bakmanın tek yolu, y ekseninin 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3) ile başladığı logaritmik bir grafik kullanmaktır. ) ve bunun gibi.

Sayılar, bugün var olan veya klasik bilgisayar mimarileri kullanılarak var olabilecek herhangi bir makinede makul bir şekilde işlenemeyecek kadar büyüyor. Ama D-Wave'in yaptığı çok farklı.

Vesuvius Ortaya Çıkıyor

Vesuvius yongası D2 yaklaşık 500 uses kullanırqubitsCalcu veya Kuantum Bitleri bu hesaplamaları şu şekilde adlandırır: Kuantum Tavlama. Vesuvius Qubits bir seferde her rotayı ölçmek yerine, bir üst üste binme durumuna ayarlanır (ne açık ne de kapalı, çalışır) bir tür potansiyel alan olarak birlikte) ve çözümün giderek karmaşıklaşan bir dizi cebirsel açıklaması (yani bir dizi nın-nin Hamilton süperpozisyon alanına çözeltinin kendisi değil, çözeltinin tanımları uygulanır).

Gerçekte sistem, bir tepeden aşağı nasıl gidileceğine 'karar' veren bir top gibi her potansiyel çözümün uygunluğunu aynı anda test ediyor. Süperpozisyon bir zemin haline gevşetildiğinde, kubitlerin o zemin durumu optimum çözümü tanımlamalıdır.

Birçoğu, D-Wave sisteminin geleneksel bir bilgisayar üzerinde ne kadar avantaj sağladığını sorguladı. Klasik bir bilgisayar için 30 dakika süren tipik bir Travelling Saleman Problemine karşı platformun son testinde, Vezüv'de sadece yarım saniye sürdü.

Ancak, açık olmak gerekirse, bu asla Doom'u oynadığınız bir sistem olmayacaktır. Bazı yorumcular Bu son derece uzmanlaşmış sistemi genel amaçlı bir işlemciyle karşılaştırın. Bir karşılaştırmak daha iyi olurdu Ohio-sınıf denizaltı ile F35 Yıldırım; biri için seçtiğiniz herhangi bir metrik, diğeri için işe yaramayacak kadar uygunsuzdur.

D-Wave, standart bir işlemciye ve FLOPS'a kıyasla belirli sorunları için birkaç büyüklükte daha hızlı saat hızına ulaşıyor tahminler akıllara durgunluk veren 1.5 Peta-FLOPS'a nispeten etkileyici bir 420 GFLOPS (son kamu prototipi sırasında 2013'te Top 10 Süper Bilgisayar listesine koymak). Herhangi bir şey varsa, bu eşitsizlik FLOPS'un sonunun başlangıcını belirli sorun alanlarına uygulandığında evrensel bir ölçüm olarak vurgular.

Bu bilgi işlem alanı çok özel (ve çok ilginç) bir dizi soruna yöneliktir. Endişe verici bir şekilde, bu alandaki sorunlardan biri kriptografi Gmail, Outlook ve Diğer Web postanızı nasıl şifrelersiniz?E-posta hesapları kişisel bilgilerinizin anahtarlarına sahiptir. Gmail, Outlook.com ve diğer posta hesaplarınızı nasıl şifreleyeceğiniz aşağıda açıklanmıştır. Daha fazla oku - özellikle Genel Anahtar Şifrelemesi.

Neyse ki D-Wave’in uygulaması optimizasyon algoritmalarına odaklanmış görünüyor ve D-Wave bazı tasarım kararları verdi (çip üzerindeki hiyerarşik eşleme yapısı gibi) kullanamayacağınızı belirtin çözmek için Vezüv Shor’un Algoritmasıİnternetin kilidini bu kadar kötü bir şekilde açabilir Robert Redford'u gururlandıracaktı.

Lazer Matematik

Listemizdeki ikinci şirket Optalysys. İngiltere merkezli bu şirket, ışığın doğasını kullanarak belirli hesaplama sınıflarını gerçekleştirmek için analog ışık süperpozisyonu kullanarak bilgisayarları alır ve kafasına çevirir. Aşağıdaki video, Optalysys sisteminin arka planını ve temellerini göstermektedir. Prof. Heinz Wolff.

Biraz dalgalı, ama özünde, umarım bir gün masanızda oturacak ve simülasyonlar, CAD / CAM ve tıbbi görüntüleme (ve belki sadece bilgisayar için) oyunlar). Vesuvius gibi, Optalysys çözümünün genel bilgi işlem görevlerini yerine getirmesinin bir yolu yoktur, ancak bunun için tasarlanmamıştır.

Bu optik işleme tarzı hakkında düşünmenin yararlı bir yolu, onu fiziksel bir Grafik İşlem Birimi (GPU) gibi düşünmektir. Modern GPU Grafik Hızlandırıcıyı GPU-Z İle Çok Ayrıntılı Olarak Tanıyın [Windows]GPU veya grafik işlem birimi, bilgisayarınızın grafik işlemlerinden sorumlu parçasıdır. Başka bir deyişle, oyunlar bilgisayarınızda dalgalıysa veya çok yüksek kalite ayarlarını yapamıyorsa, ... Daha fazla oku ‘Farklı bellek akışlarından gelen farklı veriler üzerinde aynı hesaplamayı gerçekleştirerek paralel olarak birçok akış işlemcisi kullanır. Bu mimari, bilgisayar grafiklerinin oluşturulma biçiminin doğal bir sonucu olarak geldi, ancak bu büyük paralel mimari, yüksek frekans ticareti, Yapay Sinir Ağları.

Optalsys benzer ilkeleri alır ve onları fiziksel bir ortama çevirir; veri bölümleme ışın ayrılır, doğrusal cebir olur kuantum paraziti, MapReduce stil fonksiyonları optik filtreleme sistemleri haline gelir. Ve tüm bu işlevler sabit, etkili bir şekilde anında çalışır.

İlk prototip cihaz, Hızlı Fourier Dönüşümleri gerçekleştirmek için 20Hz 500 × 500 eleman ızgarasını kullanır (temel olarak, “bu giriş akışında hangi frekanslar görünüyor?”) ve ezici bir eşdeğer verdi nın-nin 40 GFLOPS. Geliştiriciler 340 GFLOPS sistemini gelecek yıltahmin edilen güç tüketimi dikkate alındığında etkileyici bir puan olacaktır.

Kara Kutum nerede?

bilgi işlem tarihi Dünyayı Değiştiren Bilgisayarların Kısa TarihiBilgisayar tarihini incelemek için yıllar geçirebilirsiniz. Tonlarca icat, onlar hakkında tonlarca kitap var - ve bu kaçınılmaz olarak şu durumlarda ortaya çıkan parmak işaretine girmeden önce ... Daha fazla oku başlangıçta araştırma laboratuvarlarının ve devlet kurumlarının rezervinin hızlı bir şekilde tüketici donanımına geçtiğini gösteriyor. Ne yazık ki, bilgisayar tarihinin henüz fizik yasalarının sınırlamaları ile uğraşması gerekmedi.

Şahsen, D-Wave ve Optalysys'in masalarımızda 5-10 yıl içinde sahip olduğumuz kesin teknolojiler olacağını düşünmüyorum. İlk tanınabilir olduğunu düşünün "Akıllı saat" 2000 yılında açıldı ve sefil bir şekilde başarısız oldu; ama teknolojinin özü bugün de devam ediyor. Benzer şekilde, Kuantum ve Optik bilgi işlem hızlandırıcılarına yapılan bu keşifler, next bir sonraki büyük şey ’de dipnot olarak ortaya çıkacaktır.

Malzeme bilimi yaklaşıyor biyolojik bilgisayarlar, matematik yapmak için DNA benzeri yapılar kullanarak. Nanoteknoloji ve ‘Programlanabilir Konu’ "veri" yi işlemek yerine yaklaşıyorsa, materyalin kendisi bilgiyi içerecek, temsil edecek ve işleyecektir.

Sonuçta, hesaplamalı bir bilim insanı için cesur yeni bir dünya. Sence bunların hepsi nereye gidiyor? Yorumlarda bunun hakkında konuşalım!

Fotoğrafa katkı verenler:KL Intel Pentium A80501 ile Konstantin Lanzet, ASCI KIRMIZI - TFFF4M ABD Hükümeti tarafından - Sandia Ulusal Laboratuvarları, DWave D2 ile Vancouver Sun, DWave 128çip tarafından D-Wave Systems, Inc., Gezgin Satıcı Sorunu ile Randall Munroe (XKCD)