Πώς λειτουργούν οι Οπτικοί και οι Κβαντικοί Υπολογιστές;

Διαφήμιση

Το ιστορικό υπολογιστών είναι γεμάτο από Flops.

ο Apple III είχε μια άσχημη συνήθεια να μαγειρεύει στο παραμορφωμένο κέλυφος. ο Atari Jaguar, μια «καινοτόμο» κονσόλα παιχνιδιών που είχε κάποιες ψευδείς ισχυρισμοί σχετικά με τις επιδόσεις της, απλά δεν μπορούσε να αρπάξει την αγορά. Το πρωτοποριακό τσιπ Pentium της Intel που σχεδιάστηκε για εφαρμογές λογιστικής υψηλής απόδοσης είχε δυσκολία με δεκαδικούς αριθμούς.

Αλλά το άλλο είδος του flop που επικρατεί στον κόσμο της πληροφορικής είναι το FLOPS μέτρηση, που χρονολογείται εδώ και πολύ καιρό ως λογική δίκαιη σύγκριση μεταξύ διαφορετικών μηχανών, αρχιτεκτονικών και συστημάτων.

Το FLOPS είναι ένα μέτρο των λειτουργιών κυμαινόμενου σημείου ανά δευτερόλεπτο. Με απλά λόγια, είναι το ταχύμετρο για ένα υπολογιστικό σύστημα. Και ήταν αυξάνοντας εκθετικά για δεκαετίες.

Λοιπόν, αν σας έλεγα ότι σε λίγα χρόνια, θα έχετε ένα σύστημα που κάθεται στο γραφείο σας, στην τηλεόρασή σας ή στο τηλέφωνό σας, που θα σκούπισε το πάτωμα των σημερινών υπερυπολογιστών; Απίστευτος? Είμαι τρελός; Ρίξτε μια ματιά στην ιστορία πριν κρίνετε.

Υπερυπολογιστής σε σουπερμάρκετ

Μια πρόσφατη Intel i7 Haswell Λοιπόν, ποια είναι η διαφορά μεταξύ CPUs Haswell και Ivy Bridge της Intel;Ψάχνετε για έναν νέο υπολογιστή; Εκείνοι που αγοράζουν ένα νέο φορητό ή επιτραπέζιο υπολογιστή με τεχνολογία Intel πρέπει να γνωρίζουν τις διαφορές μεταξύ της τελευταίας και της τελευταίας γενιάς επεξεργαστών της Intel. Διαβάστε περισσότερα ο επεξεργαστής μπορεί να εκτελέσει περίπου 177 δισ. Ευρώ FLOPS (GFLOPS), η οποία είναι ταχύτερη από τον ταχύτερο υπερυπολογιστή στις ΗΠΑ το 1994, το Sandia National Labs XP / s140 με 3.680 υπολογιστικούς πυρήνες που συνεργάζονται.

Το PlayStation 4 μπορεί να λειτουργήσει σε περίπου 1,8 τρισεκατομμύρια FLOPS χάρη στις προηγμένες του λειτουργίες Κυτταρική μικρο-αρχιτεκτονική, και θα τακτοποιούσε το 55 εκατομμύρια δολάρια ASCI Red supercomputer που ξεπέρασε το παγκόσμιο πρωτάθλημα υπερυπολογιστών το 1998, σχεδόν 15 χρόνια πριν κυκλοφορήσει το PS4.

Της IBM Watson AI System Η IBM αποκαλύπτει το επαναστατικό "Brain on a Chip"Ανακοινώθηκε την περασμένη εβδομάδα μέσω ενός άρθρου στην επιστήμη, το "TrueNorth" είναι αυτό που είναι γνωστό ως "νευρομορφικό τσιπ" - ένα τσιπ υπολογιστή σχεδιασμένο για να μιμείται βιολογικούς νευρώνες, για χρήση σε έξυπνα συστήματα ηλεκτρονικών υπολογιστών όπως Watson. Διαβάστε περισσότερα έχει ένα (τρέχον) λειτουργία κορυφής 80 TFLOPS, και αυτό δεν είναι πουθενά κοντά στο να το αφήσουμε στη λίστα των Top 500 των σημερινών υπερυπολογιστών, με το Κινέζικα Tianhe-2 με επικεφαλής τον Top 500 στις 3 τελευταίες συνεχόμενες εμφανίσεις, με κορυφαία απόδοση 54,902 TFLOPS ή σχεδόν 55 Peta-FLOPS.

Το μεγάλο ερώτημα είναι, πού είναι το επόμενο επιτραπέζιο μέγεθος υπερυπολογιστή Η Τελευταία Τεχνολογία Υπολογιστών που πρέπει να δείτε για να πιστέψετεΕλέγξτε μερικές από τις τελευταίες τεχνολογίες υπολογιστών που έχουν ρυθμιστεί να μετασχηματίζουν τον κόσμο των ηλεκτρονικών και των υπολογιστών τα επόμενα χρόνια. Διαβάστε περισσότερα θα προέλθει από; Και το πιο σημαντικό, πότε το παίρνουμε;

Ένα άλλο τούβλο στο τείχος

Στην πρόσφατη ιστορία, οι κινητήριες δυνάμεις ανάμεσα σε αυτά τα εντυπωσιακά οφέλη στην ταχύτητα ήταν στην επιστήμη των υλικών και στον σχεδιασμό της αρχιτεκτονικής. οι μικρότερες διαδικασίες παραγωγής κλίμακας νανομέτρων σημαίνουν ότι τα τσιπ μπορεί να είναι πιο λεπτά, γρηγορότερα και να απορρίπτουν λιγότερη ενέργεια με τη μορφή θερμότητας, γεγονός που τους καθιστά φθηνότερο να λειτουργούν.

Επίσης, με την ανάπτυξη αρχιτεκτονικών πολλών πυρήνων στα τέλη της δεκαετίας του 2000, πολλοί «επεξεργαστές» πιέζονται τώρα σε ένα ενιαίο τσιπ. Αυτή η τεχνολογία, σε συνδυασμό με την αυξανόμενη ωριμότητα των κατανεμημένων υπολογιστικών συστημάτων, όπου πολλοί Οι «υπολογιστές» μπορούν να λειτουργήσουν ως μία μόνο μηχανή, σημαίνει ότι το Top 500 αυξανόταν πάντα, ακριβώς για τη διατήρηση με το ρυθμό Το περίφημο Νόμο του Moore.

Ωστόσο, το οι νόμοι της φυσικής αρχίζουν να παρεμποδίζουν όλη αυτή την ανάπτυξη, ακόμη και Η Intel ανησυχεί για αυτό, και πολλοί σε όλο τον κόσμο κυνήγι για το επόμενο πράγμα.

... σε περίπου δέκα χρόνια περίπου, θα δούμε την κατάρρευση του νόμου του Moore. Στην πραγματικότητα, ήδη, παρατηρούμε μια επιβράδυνση του νόμου του Moore. Η ισχύς του υπολογιστή απλά δεν μπορεί να διατηρήσει την ταχεία εκθετική άνοδο χρησιμοποιώντας την τυποποιημένη τεχνολογία πυριτίου. - Δρ. Μίχιο Κακού – 2012

Το θεμελιώδες πρόβλημα με τον τρέχοντα σχεδιασμό επεξεργασίας είναι ότι τα τρανζίστορ είναι είτε (1) είτε απενεργοποιημένα (0). Κάθε φορά α πύλη τρανζίστορ 'Flips', πρέπει να εκδιώξει μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας στο υλικό από το οποίο φτιάχνεται η πύλη για να παραμείνει αυτό το 'flip'. Καθώς αυτές οι πύλες γίνονται μικρότερες και μικρότερες, ο λόγος μεταξύ της ενέργειας για τη χρήση του τρανζίστορ και του ενέργεια για να «αναστρέψει» το τρανζίστορ γίνεται όλο και μεγαλύτερο, δημιουργώντας μεγάλη θέρμανση και αξιοπιστία προβλήματα. Τα υπάρχοντα συστήματα πλησιάζουν - και σε ορισμένες περιπτώσεις υπερβαίνουν - την ακατέργαστη πυκνότητα θερμότητας των πυρηνικών αντιδραστήρων και τα υλικά αρχίζουν να αποτυγχάνουν τους σχεδιαστές τους. Αυτό είναι κλασικά ονομάζεται 'Power Wall'.

Πρόσφατα, ορισμένοι έχουν αρχίσει να σκέφτονται διαφορετικά για τον τρόπο εκτέλεσης χρήσιμων υπολογισμών. Δύο εταιρείες ειδικότερα έχουν προσελκύσει την προσοχή μας όσον αφορά τις προηγμένες μορφές κβαντικής και οπτικής πληροφορικής. καναδικός Συστήματα D-Wave και το Ηνωμένο Βασίλειο Optalysys, οι οποίοι και οι δύο έχουν εξαιρετικά διαφορετικές προσεγγίσεις σε πολύ διαφορετικά σύνολα προβλημάτων.

Ώρα να αλλάξουμε τη μουσική

Το D-Wave πήρε πολλή τύχη τον τελευταίο καιρό, με το εξαιρετικά δροσισμένο δυσοίωνο μαύρο κουτί με μια εξαιρετικά cyberpunk εσωτερική ακίδα, που περιέχει ένα αινιγματικό γυμνό τσιπ με δύσκολες δυνάμεις.

Στην ουσία, το σύστημα D2 υιοθετεί μια τελείως διαφορετική προσέγγιση στην επίλυση προβλημάτων, εξαλείφοντας αποτελεσματικά το βιβλίο κανόνων αιτίου-αποτελέσματος. Τί είδους προβλήματα είναι αυτό το Google / NASA / Lockheed Martin που υποστηρίζει το behemoth με στόχο;

Ο τυχερός

Ιστορικά, αν θέλετε να λύσετε ένα NP-σκληρό ή ενδιάμεσο πρόβλημα, όπου υπάρχει ένας εξαιρετικά υψηλός αριθμός πιθανών λύσεων που έχουν ένα ευρύ φάσμα δυνατοτήτων, χρησιμοποιώντας «αξίες» η κλασική προσέγγιση απλά δεν λειτουργεί. Πάρτε για παράδειγμα το πρόβλημα του ταξιδιώτη πωλήσεων; με δεδομένες τις Ν-πόλεις, βρείτε το κοντινότερο μονοπάτι για να επισκεφτείτε όλες τις πόλεις μία φορά. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το TSP είναι ένας σημαντικός παράγοντας σε πολλούς τομείς, όπως η κατασκευή μικροτσίπ, η εφοδιαστική, και ακόμη και η αλληλούχιση του DNA,

Αλλά όλα αυτά τα προβλήματα φτάνουν σε μια προφανώς απλή διαδικασία. Επιλέξτε ένα σημείο για να ξεκινήσετε, να δημιουργήσετε μια διαδρομή γύρω από τα N 'πράγματα', να μετρήσετε την απόσταση και εάν υπάρχει ένα υπάρχον διαδρομή που είναι μικρότερη από αυτήν, απορρίψτε την απόπειρα διαδρομής και μετακινηθείτε στην επόμενη έως ότου δεν υπάρχουν περισσότερες διαδρομές έλεγχος.

Αυτό ακούγεται εύκολο, και για μικρές αξίες, είναι? για 3 πόλεις υπάρχουν 3 δρομολόγια για να ελέγξετε, για 7 πόλεις υπάρχουν 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, κάτι που δεν είναι πολύ κακό για να χειριστεί κάποιος υπολογιστής. Αυτό είναι ένα Παραγοντικό και μπορεί να εκφραστεί ως "Ν!", έτσι 5040 είναι 7 !.

Ωστόσο, από τη στιγμή που θα πάτε λίγο περισσότερο, σε 10 πόλεις για να επισκεφτείτε, θα πρέπει να δοκιμάσετε πάνω από 3 εκατομμύρια διαδρομές. Μέχρι να φτάσετε στα 100, ο αριθμός των δρομολογίων που πρέπει να ελέγξετε είναι 9 ακολουθούμενος 157 ψηφία. Ο μόνος τρόπος να εξετάσουμε αυτές τις λειτουργίες είναι να χρησιμοποιήσουμε ένα λογαριθμικό γράφημα, όπου ο άξονας γ αρχίζει στα 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 ) και ούτω καθεξής.

Οι αριθμοί παίρνουν πολύ μεγάλο μέγεθος ώστε να μπορούν να επεξεργαστούν λογικά σε οποιοδήποτε μηχάνημα που υπάρχει σήμερα ή μπορούν να υπάρξουν χρησιμοποιώντας κλασσικές αρχιτεκτονικές υπολογιστών. Αλλά τι κάνει η D-Wave είναι πολύ διαφορετική.

Ο Βεζούβιος Emerges

Το τσιπ Vesuvius στο D2 χρησιμοποιεί περίπου 500 'qubits'Ή Quantum Bits για να εκτελέσετε αυτούς τους υπολογισμούς χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που ονομάζεται Κβαντική ανόπτηση. Αντί να μετρά κάθε διαδρομή κάθε φορά, τα Vesuvius Qubits τίθενται σε κατάσταση υπερπλήρωσης μαζί ως ένα είδος δυνητικού πεδίου) και μια σειρά όλο και πιο πολύπλοκων αλγεβρικών περιγραφών της λύσης (δηλ. μιας σειράς του Χάμιλτον οι περιγραφές της λύσης, όχι η ίδια η λύση) εφαρμόζονται στο πεδίο υπέρθεσης.

Στην πραγματικότητα, το σύστημα ελέγχει την καταλληλότητα κάθε πιθανής λύσης ταυτόχρονα, όπως μια μπάλα που «αποφασίζει» ποιο είναι το δρόμο για να κατεβείτε σε ένα λόφο. Όταν η υπέρθεση χαλαρώνει σε κατάσταση εδάφους, αυτή η κατάσταση εδάφους των qubits θα πρέπει να περιγράφει τη βέλτιστη λύση.

Πολλοί έχουν αμφισβητήσει πόσο ένα πλεονέκτημα το σύστημα D-Wave δίνει πάνω από έναν συμβατικό υπολογιστή. Σε μια πρόσφατη δοκιμή της πλατφόρμας εναντίον ενός τυπικού προβλήματος ταξιδιού Saleman, το οποίο χρειάστηκε 30 λεπτά για έναν κλασικό υπολογιστή, πήρε μόλις μισό δευτερόλεπτο στον Βεζούβιο.

Ωστόσο, για να είναι σαφές, αυτό δεν πρόκειται ποτέ να είναι ένα σύστημα που παίζετε Doom on. Κάποιοι σχολιαστές προσπαθούν συγκρίνετε αυτό το εξαιρετικά εξειδικευμένο σύστημα με έναν επεξεργαστή γενικής χρήσης. Θα ήταν καλύτερα να συγκρίνετε ένα Οχάιο- υποβρύχιο κλάσης με το F35 Lightning; κάθε μέτρηση που επιλέγετε για μία είναι τόσο ακατάλληλη για την άλλη ώστε να είναι άχρηστη.

Το D-Wave χρονομετρείται σε διάφορες τάξεις μεγέθους γρηγορότερα για τα ειδικά προβλήματά του σε σύγκριση με έναν τυπικό επεξεργαστή και τα FLOPS οι εκτιμήσεις κυμαίνονται από ένα σχετικά εντυπωσιακό 420 GFLOPS σε ένα μυαλό-ανατίναξη 1,5 Peta-FLOPS (το θέτοντας στη λίστα Top 10 Supercomputer το 2013 κατά το χρόνο του τελευταίου δημόσιου πρωτοτύπου). Αν μη τι άλλο, αυτή η ανισότητα υπογραμμίζει την αρχή του τέλους του FLOPS ως καθολική μέτρηση όταν εφαρμόζεται σε συγκεκριμένους προβληματικούς τομείς.

Αυτός ο τομέας πληροφορικής στοχεύει σε ένα πολύ συγκεκριμένο (και πολύ ενδιαφέρον) σύνολο προβλημάτων. Ανησυχητικά, ένα από τα προβλήματα μέσα σ 'αυτή τη σφαίρα είναι κρυπτογράφηση Πώς να κρυπτογραφήσετε το Gmail, το Outlook και το άλλο WebmailΟι λογαριασμοί ηλεκτρονικού ταχυδρομείου κρατούν τα κλειδιά στις προσωπικές σας πληροφορίες. Δείτε πώς μπορείτε να κρυπτογραφήσετε τους λογαριασμούς Gmail, Outlook.com και άλλους λογαριασμούς αλληλογραφίας. Διαβάστε περισσότερα - συγκεκριμένα κρυπτογραφία δημόσιου κλειδιού.

Ευτυχώς, η εφαρμογή του D-Wave επικεντρώνεται στους αλγόριθμους βελτιστοποίησης και η D-Wave έκανε κάποιες σχεδιαστικές αποφάσεις (όπως η ιεραρχική δομή peering στο τσιπ) που δείχνουν ότι δεν θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε τον Βεζούβιο να λύσει Αλγόριθμος Shor, η οποία θα μπορούσε να ξεκλειδώσει το Internet τόσο άσχημα θα έκανε τον Ρόμπερτ Ρέντφορντ περήφανη.

Μαθηματικά λέιζερ

Η δεύτερη εταιρεία στη λίστα μας είναι η Optalysys. Αυτή η εταιρεία με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο λαμβάνει υπολογιστικές μεθόδους και την μετατρέπει στο κεφάλι της χρησιμοποιώντας αναλογική υπερκάλυψη του φωτός για να πραγματοποιήσει ορισμένες κατηγορίες υπολογισμών χρησιμοποιώντας τη φύση του ίδιου του φωτός. Το παρακάτω βίντεο παρουσιάζει μερικά από τα υπόβαθρα και τα θεμελιώδη στοιχεία του συστήματος Optalysys, που παρουσιάζονται από Καθ. Heinz Wolff.

Είναι λίγο χέρι-κύμα, αλλά στην ουσία, είναι ένα κουτί που ελπίζουμε ότι μια μέρα θα καθίσει στο γραφείο σας και παρέχει υπολογιστική υποστήριξη για προσομοιώσεις, CAD / CAM και ιατρική απεικόνιση (και ίσως, ίσως, υπολογιστή Παιχνίδια). Όπως και ο Βεζούβιος, δεν υπάρχει τρόπος με τον οποίο η λύση Optalysys πρόκειται να εκτελέσει καθήκοντα κύριας πληροφορικής, αλλά αυτό δεν είναι αυτό που έχει σχεδιαστεί.

Ένας χρήσιμος τρόπος να σκεφτείτε αυτό το στυλ της οπτικής επεξεργασίας είναι να το σκεφτείτε σαν μια φυσική Μονάδα επεξεργασίας γραφικών (GPU). Σύγχρονη GPU Γνωρίστε τον επιταχυντή γραφικών σας στις λεπτομερείς λεπτομέρειες με την GPU-Z [Windows]Η μονάδα GPU ή η μονάδα επεξεργασίας γραφικών είναι το μέρος του υπολογιστή που είναι υπεύθυνο για το χειρισμό γραφικών. Με άλλα λόγια, αν τα παιχνίδια είναι ασταθή στον υπολογιστή σας ή δεν μπορούν να χειριστούν ρυθμίσεις πολύ υψηλής ποιότητας ... Διαβάστε περισσότερα Χρησιμοποιεί πολλούς επεξεργαστές συνεχούς ροής παράλληλα, εκτελώντας τον ίδιο υπολογισμό σε διαφορετικά δεδομένα που προέρχονται από διαφορετικές περιοχές της μνήμης. Αυτή η αρχιτεκτονική ήρθε ως φυσικό αποτέλεσμα του τρόπου δημιουργίας των γραφικών υπολογιστών, αλλά αυτή η μαζικά παράλληλη αρχιτεκτονική έχει χρησιμοποιηθεί για όλα συναλλαγών υψηλής συχνότητας, προς το Τεχνητά νευρικά δίκτυα.

Το Optalsys υιοθετεί παρόμοιες αρχές και τις μεταφράζει σε φυσικό μέσο. η κατανομή δεδομένων γίνεται διάσπαση της δέσμης, γίνεται η γραμμική άλγεβρα κβαντική παρεμβολή, Οι λειτουργίες στυλ MapReduce καθίστανται οπτικά συστήματα φιλτραρίσματος. Και όλες αυτές οι λειτουργίες λειτουργούν σε συνεχή, αποτελεσματικό στιγμιαίο χρόνο.

Η αρχική συσκευή πρωτότυπου χρησιμοποιεί ένα πλέγμα στοιχείων 20Hz 500 × 500 για να εκτελεί γρήγορους μετασχηματισμούς Fourier (βασικά, "ποιες συχνότητες εμφανίζονται σε αυτή τη ροή εισόδου;") και έχει παραδώσει ένα ισοδύναμο ισοδύναμο του 40 GFLOPS. Οι προγραμματιστές στοχεύουν ένα σύστημα GFLOPS 340 από το του χρόνου, η οποία λαμβάνοντας υπόψη την εκτιμώμενη κατανάλωση ισχύος, θα ήταν ένα εντυπωσιακό αποτέλεσμα.

Έτσι Πού είναι το Black Box μου;

ο ιστορία της πληροφορικής Μια σύντομη ιστορία των υπολογιστών που άλλαξαν τον κόσμοΜπορείτε να περάσετε πολλά χρόνια στην ιστορία του υπολογιστή. Υπάρχουν τόνοι εφευρέσεων, τόνοι βιβλίων για αυτούς - και αυτό είναι πριν αρχίσετε να παίρνετε τα δάχτυλα που δείχνουν ότι συμβαίνει αναπόφευκτα όταν ... Διαβάστε περισσότερα μας δείχνει ότι αυτό που αρχικά είναι το απόθεμα των ερευνητικών εργαστηρίων και των κυβερνητικών οργανισμών κάνει γρήγορα τον δρόμο του στο υλικό των καταναλωτών. Δυστυχώς, η ιστορία της πληροφορικής δεν είχε να αντιμετωπίσει τους περιορισμούς των νόμων της φυσικής.

Προσωπικά, δεν νομίζω ότι τα D-Wave και Optalysys πρόκειται να είναι οι ακριβείς τεχνολογίες που έχουμε στα γραφεία μας σε 5-10 χρόνια. Σκεφτείτε ότι η πρώτη αναγνωρίσιμη "Εξυπνο ρολόι" αποκαλύφθηκε το 2000 και απέτυχε άθλια. αλλά η ουσία της τεχνολογίας συνεχίζεται και σήμερα. Ομοίως, αυτές οι εξερευνήσεις σε επιταχυντές υπολογισμών Quantum και Optical θα καταλήξουν πιθανώς ως υποσημειώσεις στο «επόμενο μεγάλο πράγμα».

Η επιστήμη των υλικών προσεγγίζει περισσότερο βιολογικούς υπολογιστές, χρησιμοποιώντας δομές παρόμοιες με το DNA για την εκτέλεση μαθηματικών μαθημάτων. Νανοτεχνολογία και "Προγραμματιζόμενη ύλη" πλησιάζει το σημείο, παρά την επεξεργασία δεδομένων, το ίδιο το υλικό θα περιέχει και θα αντιπροσωπεύει και θα επεξεργάζεται τις πληροφορίες.

Συνολικά, είναι ένας γενναίος νέος κόσμος για έναν υπολογιστικό επιστήμονα. Που νομίζεις ότι όλα αυτά συμβαίνουν; Ας μιλήσουμε γι 'αυτό στα σχόλια!

Πιστωτικές κάρτες:KL Intel Pentium A80501 από τον Konstantin Lanzet, Asci κόκκινο - tflop4m από την κυβέρνηση των ΗΠΑ - Sandia National Laboratories, DWave D2 από το The Vancouver Sun, DWave 128chip από την D-Wave Systems, Inc., Ταξιδεύοντας πρόβλημα πωλητών από τον Randall Munroe (XKCD)