Hoe werken optische en kwantumcomputers?

Advertentie

De geschiedenis van computers zit vol met Flops.

De Apple III had een nare gewoonte om zichzelf te koken in zijn vervormde schaal. De Atari Jaguar, een ‘innovatieve’ gameconsole die een paar valse beweringen had over de prestaties ervan, kon de markt gewoon niet aan. Intel's vlaggenschip Pentium-chip, ontworpen voor hoogwaardige boekhoudtoepassingen moeite met decimale getallen.

Maar het andere soort flop dat heerst in de computerwereld is de FLOPS meting, lang geprezen als een redelijk eerlijke vergelijking tussen verschillende machines, architecturen en systemen.

FLOPS is een maat voor drijvende-kommabewerkingen per seconde. Simpel gezegd, het is de snelheidsmeter voor een computersysteem. En het is zo geweest decennialang exponentieel groeiend.

Dus wat als ik je zou vertellen dat je over een paar jaar een systeem op je bureau, of op je tv of in je telefoon hebt, dat de vloer van de supercomputers van vandaag zou vegen? Ongelofelijk? Ik ben een gek? Bekijk de geschiedenis voordat u oordeelt.

Supercomputer naar supermarkt

Een recente Intel i7 Haswell Dus wat is het verschil tussen Intel's Haswell en Ivy Bridge CPU's?Op zoek naar een nieuwe computer? Wie op zoek is naar een nieuwe laptop of desktop met Intel-processor, moet de verschillen kennen tussen de laatste en de nieuwste generatie Intel-processors. Lees verder processor kan ongeveer presteren 177 miljard FLOPS (GFLOPS), dat sneller is dan de snelste supercomputer in de VS in 1994, de Sandia National Labs XP / s140 met 3.680 rekenkernen die samenwerken.

Een PlayStation 4 kan dankzij zijn geavanceerde werking op ongeveer 1,8 biljoen FLOPS werken Cel micro-architectuur, en zou de $ 55 miljoen ASCI Red supercomputer die in 1998 bovenaan de wereldwijde supercomputercompetitie stond, bijna 15 jaar voordat de PS4 werd uitgebracht.

IBM's Watson AI-systeem IBM onthult revolutionair "Brain on a Chip"Vorige week aangekondigd via een artikel in Science, "TrueNorth" is wat bekend staat als een "neuromorfe chip" - een computerchip ontworpen om biologische neuronen te imiteren, voor gebruik in intelligente computersystemen zoals Watson. Lees verder heeft een (huidige) piekwerking 80 TFLOPS, en dat komt bij lange na niet in de Top 500-lijst van de supercomputers van vandaag, met de Chinese Tianhe-2 in de top 500 van de afgelopen 3 opeenvolgende gelegenheden, met een topprestatie van 54,902 TFLOPS, of bijna 55 Peta-FLOPS.

De grote vraag is, waar is de volgende desktopcomputer supercomputer De nieuwste computertechnologie die u moet zien om te gelovenBekijk enkele van de nieuwste computertechnologieën die de wereld van elektronica en pc's de komende jaren zullen transformeren. Lees verder gaat komen? En nog belangrijker, wanneer krijgen we het?

Nog een steen in de Power Wall

In de recente geschiedenis waren de drijvende krachten tussen deze indrukwekkende snelheidswinsten de materiaalwetenschap en het architectuurontwerp; Door kleinere productieprocessen op nanometerschaal kunnen chips dunner en sneller zijn en minder energie uitstoten in de vorm van warmte, waardoor ze goedkoper zijn in gebruik.

Met de ontwikkeling van multi-core architecturen aan het einde van de jaren 2000, worden veel 'processors' nu op een enkele chip geperst. Deze technologie, gecombineerd met de toenemende volwassenheid van gedistribueerde berekeningssystemen, waar veel ‘Computers’ kunnen als een enkele machine werken, wat betekent dat de Top 500 altijd is gegroeid, bijna om te behouden tempo met De beroemde wet van Moore.

echter, de natuurwetten beginnen al deze groei in de weg te staan, zelfs Intel maakt zich er zorgen over, en velen over de hele wereld jagen op het volgende.

... over een jaar of tien zullen we de ineenstorting van de Wet van Moore zien. In feite zien we al een vertraging van de wet van Moore. Computervermogen kan eenvoudig zijn snelle exponentiële stijging niet handhaven met standaard siliciumtechnologie. - Dr. Michio Kaku – 2012

Het fundamentele probleem met het huidige verwerkingsontwerp is dat de transistors aan (1) of uit (0) staan. Elke keer een transistorpoort ‘Flips’, het moet een bepaalde hoeveelheid energie uitstralen in het materiaal waaruit de poort is gemaakt om die ‘flip’ te laten blijven. Naarmate deze poorten kleiner en kleiner worden, is de verhouding tussen de energie om de transistor te gebruiken en de energie om te "flip" de transistor wordt groter en groter, waardoor grote verwarming en betrouwbaarheid wordt gecreëerd problemen. Huidige systemen naderen - en overschrijden in sommige gevallen - de ruwe warmtedichtheid van kernreactoren, en materialen beginnen hun ontwerpers te falen. Dit wordt klassiek de ‘Power Wall’.

Sommigen zijn recentelijk anders gaan denken over het uitvoeren van nuttige berekeningen. Met name twee bedrijven hebben onze aandacht getrokken op het gebied van geavanceerde vormen van quantum- en optische computing. Canadees D-Wave-systemen en in het VK gevestigd Optalysys, die beiden heel verschillende benaderingen hebben voor heel verschillende probleemsets.

Tijd om de muziek te veranderen

D-Wave kreeg de laatste tijd veel aandacht, met hun supergekoelde onheilspellende zwarte doos met een extreem cyberpunk-interieurpiek, met een raadselachtige naakte chip met moeilijk voor te stellen krachten.

In wezen neemt het D2-systeem een ​​geheel andere benadering van probleemoplossing aan door het oorzaak-en-gevolgregelboek effectief weg te gooien. Dus op wat voor problemen richt deze door Google / NASA / Lockheed Martin gesteunde kolos zich?

The Rambling Man

Historisch gezien, als je een NP-hard of gemiddeld probleem, waar er een extreem groot aantal mogelijke oplossingen zijn met een breed scala aan mogelijkheden, werkt het gebruik van ‘waarden’ de klassieke aanpak gewoon niet. Neem bijvoorbeeld het probleem Handelsreiziger; gegeven N-steden, vind het kortste pad om alle steden één keer te bezoeken. Het is belangrijk op te merken dat TSP een belangrijke factor is op veel gebieden zoals de fabricage van microchips, logistiek en zelfs DNA-sequentiebepaling,

Maar al deze problemen komen neer op een ogenschijnlijk eenvoudig proces; Kies een punt om mee te beginnen, genereer een route rond N ‘dingen’, meet de afstand en of er een bestaande is route die korter is dan deze, negeer de poging tot route en ga verder met de volgende totdat er geen routes meer zijn naar controleren.

Dit klinkt eenvoudig, en voor kleine waarden is het; voor 3 steden zijn er 3 * 2 * 1 = 6 routes om te controleren, voor 7 steden zijn er 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, wat niet slecht is voor een computer. Dit is een Factor volgorde, en kan worden uitgedrukt als "N!", dus 5040 is 7 !.

Maar tegen de tijd dat je net iets verder gaat, om 10 steden te bezoeken, moet je meer dan 3 miljoen routes testen. Tegen de tijd dat u 100 bereikt, is het aantal routes dat u moet controleren 9 gevolgd door 157 cijfers. De enige manier om naar dit soort functies te kijken, is door een logaritmische grafiek te gebruiken, waarbij de y-as begint op 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3 ) enzovoort.

De cijfers worden gewoon te groot om redelijkerwijs te kunnen verwerken op elke machine die tegenwoordig bestaat of kan bestaan ​​met behulp van klassieke computerarchitecturen. Maar wat D-Wave doet, is heel anders.

Vesuvius Emerges

De Vesuvius-chip in de D2 gebruikt ongeveer 500 'qubits‘Of Quantum Bits om deze berekeningen uit te voeren met een zogenaamde methode Quantum gloeien. In plaats van elke route tegelijk te meten, worden de Vesuvius Qubits in een superpositietoestand gezet (niet aan of uit, in werking) samen als een soort potentieel veld) en een reeks steeds complexere algebraïsche beschrijvingen van de oplossing (d.w.z. een reeks van Hamiltoniaan beschrijvingen van de oplossing, niet een oplossing zelf) worden toegepast op het superpositieveld.

In feite test het systeem de geschiktheid van elke mogelijke oplossing tegelijkertijd, zoals een bal die 'beslist' welke weg een heuvel af moet gaan. Wanneer de superpositie wordt ontspannen tot een grondtoestand, zou die grondtoestand van de qubits de optimale oplossing moeten beschrijven.

Velen hebben zich afgevraagd hoeveel voordeel het D-Wave-systeem biedt ten opzichte van een conventionele computer. In een recente test van het platform tegen een typisch Travelling Saleman-probleem, dat 30 minuten duurde voor een klassieke computer, duurde slechts een halve seconde op de Vesuvius.

Voor de duidelijkheid, dit wordt echter nooit een systeem waarop je Doom speelt. Sommige commentatoren proberen het vergelijk dit zeer gespecialiseerde systeem met een processor voor algemeen gebruik. U kunt beter een Ohio-klasse onderzeeër met de F35 Bliksem; elke statistiek die u voor de ene selecteert, is zo ongepast voor de andere dat deze nutteloos is.

De D-Wave klokt sneller in op verschillende ordes van grootte vanwege zijn specifieke problemen in vergelijking met een standaardprocessor en FLOPS schattingen variëren van een relatief indrukwekkende 420 GFLOPS tot een verbluffende 1.5 Peta-FLOPS (plaatste het in 2013 in de Top 10 Supercomputer-lijst ten tijde van het laatste openbare prototype). Deze ongelijkheid benadrukt in ieder geval het begin van het einde van FLOPS als een universele meting bij toepassing op specifieke probleemgebieden.

Dit computergebied is gericht op een zeer specifieke (en zeer interessante) reeks problemen. Zorgwekkend genoeg is een van de problemen op dit gebied cryptografie Hoe u uw Gmail, Outlook en andere webmail kunt versleutelenE-mailaccounts bevatten de sleutels van uw persoonlijke gegevens. Hier leest u hoe u uw Gmail-, Outlook.com- en andere e-mailaccounts codeert. Lees verder - specifiek Public Key Cryptography.

Gelukkig lijkt de implementatie van D-Wave gericht op optimalisatie-algoritmen en heeft D-Wave enkele ontwerpbeslissingen genomen (zoals de hiërarchische peeringstructuur op de chip) die aangeven dat u niet kon gebruiken de Vesuvius om op te lossen Shor’s algoritme, waardoor het internet mogelijk zo slecht wordt ontgrendeld het zou Robert Redford trots maken.

Laser wiskunde

Het tweede bedrijf op onze lijst is Optalysys. Dit in het VK gevestigde bedrijf neemt computergebruik en zet het op zijn kop met behulp van analoge superpositie van licht om bepaalde rekenklassen uit te voeren met de aard van licht zelf. De onderstaande video toont enkele van de achtergronden en basisprincipes van het Optalysys-systeem, gepresenteerd door Prof. Heinz Wolff.

Het zwaait een beetje met de hand, maar in wezen is het een doos die hopelijk ooit op je bureau zal zitten en rekenondersteuning bieden voor simulaties, CAD / CAM en medische beeldvorming (en misschien ook wel computer) spellen). Net als de Vesuvius kan de Optalysys-oplossing op geen enkele manier reguliere computertaken uitvoeren, maar daar is hij niet voor ontworpen.

Een handige manier om over deze stijl van optische verwerking na te denken, is door het als een fysieke grafische verwerkingseenheid (GPU) te beschouwen. Moderne GPU Leer uw grafische versneller kennen in ondraaglijke details met GPU-Z [Windows]De GPU, of grafische verwerkingseenheid, is het deel van uw computer dat verantwoordelijk is voor het verwerken van grafische afbeeldingen. Met andere woorden, als games schokkerig zijn op uw computer of niet geschikt zijn voor instellingen van zeer hoge kwaliteit, ... Lees verder ‘S gebruiken veel vele streamingprocessors parallel en voeren dezelfde berekening uit op verschillende gegevens die uit verschillende geheugengebieden komen. Deze architectuur kwam als een natuurlijk resultaat van de manier waarop de computergraphics worden gegenereerd, maar deze enorm parallelle architectuur is voor alles gebruikt hoogfrequente handel, naar Kunstmatige neurale netwerken.

Optalsys hanteert vergelijkbare principes en vertaalt deze naar een fysiek medium; gegevensverdeling wordt bundelsplitsing, lineaire algebra wordt kwantuminterferentie, MapReduce-stijlfuncties worden optische filtersystemen. En al deze functies werken in een constante, effectief momentane tijd.

Het eerste prototype-apparaat gebruikt een 20Hz 500 × 500-elementenraster om Fast Fourier-transformaties uit te voeren (in feite: "welke frequenties verschijnen in deze ingangsstroom?") en heeft een teleurstellend equivalent opgeleverd van 40 GFLOPS. Ontwikkelaars richten zich op een 340 GFLOPS-systeem volgend jaar, wat gezien het geschatte stroomverbruik een indrukwekkende score zou zijn.

Dus waar is mijn zwarte doos?

De geschiedenis van computers Een korte geschiedenis van computers die de wereld veranderdenU kunt jarenlang graven in de geschiedenis van de computer. Er zijn tonnen uitvindingen, tonnen boeken over hen - en dat is voordat je begint te wijzen op de vinger die onvermijdelijk optreedt wanneer ... Lees verder laat zien dat wat aanvankelijk de reserve is van onderzoekslaboratoria en overheidsinstanties, snel zijn weg vindt naar consumentenhardware. Helaas heeft de geschiedenis van de computer nog niet te maken gehad met de beperkingen van de natuurkundige wetten.

Persoonlijk denk ik niet dat D-Wave en Optalysys de exacte technologieën zullen zijn die we over 5-10 jaar op onze bureaus hebben. Bedenk dat de eerste herkenbaar is 'Smart Watch' werd onthuld in 2000 en mislukte jammerlijk; maar de essentie van de technologie gaat vandaag verder. Evenzo zullen deze verkenningen naar Quantum en optische rekenversnellers waarschijnlijk voetnoten worden in ‘the next big thing’.

Materiaalwetenschap komt steeds dichterbij biologische computers, gebruikmakend van DNA-achtige structuren om wiskunde uit te voeren. Nanotechnologie en ‘Programmeerbare materie’ nadert het punt waar, in plaats van ‘gegevens’ te verwerken, materiaal zelf zowel informatie zal bevatten, vertegenwoordigen als verwerken.

Al met al is het een moedige nieuwe wereld voor een computerwetenschapper. Waar denk je dat dit allemaal naartoe gaat? Laten we erover praten in de reacties!

Fotocredits:KL Intel Pentium A80501 door Konstantin Lanzet, Asci rood - tflop4m door de Amerikaanse regering - Sandia National Laboratories, DWave D2 door The Vancouver Sun, DWave 128chip door D-Wave Systems, Inc., Handelsreizigersprobleem door Randall Munroe (XKCD)