איך עובדים מחשבים אופטיים וקוונטים?

פרסומת

היסטוריית המחשוב מלאה בפלופים.

ה תפוח III היה הרגל מגעיל לבשל את עצמו בקליפה המעוותת שלו. ה עטרי יגואר, קונסולת משחקים 'חדשנית' שהייתה טענה כוזבת לגבי הביצועים שלה, פשוט לא הצליחה לתפוס את השוק. שבב הדגל של אינטל המיועד ליישומי חשבונאות בעל ביצועים גבוהים היה של אינטל קושי במספרים עשרוניים.

אבל הפלופ מהסוג האחר השורר בעולם המחשוב הוא פלופים מדידה, שהייתה ארוכת שנים כהשוואה סבירה למדי בין מכונות, ארכיטקטורות ומערכות שונות.

FLOPS הוא מדד לפעולות של נקודה צפה בשנייה. במילים פשוטות, זהו מד המהירות של מערכת מחשוב. וזה היה גדל באופן אקספוננציאלי במשך עשורים.

אז מה אם הייתי אומר לך שבעוד כמה שנים תהיה לך מערכת שיושבת על השולחן שלך, או בטלוויזיה שלך, או בטלפון שלך, שתמחות את רצפת מחשבי העל של היום? מדהים? אני משוגע? עיין בהיסטוריה לפני שאתה שופט.

מחשב-על לסופרמרקט

אינטל i7 האחרונה הסוול אז מה ההבדל בין מעבדי Haswell ו- Ivy Bridge של אינטל?מחפש מחשב חדש? אלה המחפשים מחשב נייד או מחשב שולחני חדש המופעל על ידי אינטל צריכים לדעת את ההבדלים בין הדור האחרון והדור האחרון של מעבדי אינטל. קרא עוד מעבד יכול לבצע בערך

177 מיליארד FLOPS (GFLOPS), המהיר יותר ממחשב העל המהיר ביותר בארה"ב בשנת 1994, ה- מעבדות Sandia National XP / s140 עם 3,680 ליבות מחשוב העובדות יחד.

פלייסטיישן 4 יכול לפעול בסביבות 1.8 טריליון FLOPS בזכות המתקדם שלו ארכיטקטורת תא מיקרו, והיה מנצח את ASCI אדום, 55 מיליון דולר מחשב העל שעלה בראש ליגת מחשבי העל העולמית בשנת 1998, כמעט 15 שנה לפני ששחרור ה- PS4.

של יבמ מערכת ווטסון AI יבמ חושפת את "המוח על הצ'יפ" המהפכניהוכרז בשבוע שעבר באמצעות מאמר במדע, "TrueNorth" הוא מה שמכונה "שבב נוירומורפי" - שבב מחשב המיועד לחקות נוירונים ביולוגיים, לשימוש במערכות מחשב חכמות כמו ווטסון. קרא עוד יש (נוכחי) שיא פעולה 80 TFLOPS, וזה כמעט ולא מתקרב להכניס אותו לרשימת 500 המובילים של מחשבי העל של ימינו, עם ה- טיאנה -2 סינית לכותרת 500 הראשונים בשלושת ההזדמנויות האחרונות ברציפות, עם ביצועי שיא של 54,902 TFLOPS, או כמעט 55 Peta-FLOPS.

השאלה הגדולה היא, איפה הבא מחשב סופר בגודל שולחן העבודה טכנולוגיית המחשבים האחרונה שעליך לראות כדי להאמיןבדוק כמה מהטכנולוגיות המחשוב האחרונות אשר מיועדות להפוך את עולם האלקטרוניקה והמחשבים האישיים במהלך השנים הקרובות. קרא עוד הולך לבוא? וחשוב מכך, מתי נקבל את זה?

לבנה נוספת בחומת הכוח

בהיסטוריה האחרונה, הכוחות המניעים בין העליות המרשימות הללו במהירות היו במדע החומר ובעיצוב האדריכלות; תהליכי ייצור קטנים יותר בקנה מידה ננומטר פירושם שבבים יכולים להיות דקים יותר, מהירים יותר ולזרוק פחות אנרגיה בצורת חום, מה שהופך אותם לזולים יותר להפעלה.

כמו כן, עם התפתחות ארכיטקטורות מרובות ליבות בסוף שנות האלפיים, מעבדים רבים 'מעובדים' כעת על שבב יחיד. טכנולוגיה זו, בשילוב עם הבשלות הגוברת של מערכות חישוב מבוזרות, בהן רבים 'מחשבים' יכולים לפעול כמכונה יחידה, פירוש הדבר כי ה- 500 הטובים ביותר תמיד צמחו, כמעט כל הזמן קצב עם החוק המפורסם של מור.

אולם, ה חוקי הפיזיקה מתחילים להפריע לכל הצמיחה הזו, אפילו אינטל חוששת מכך, ורבים ברחבי העולם מחפשים אחר הדבר הבא.

... בעוד כעשר שנים בערך, נראה את קריסת החוק של מור. למעשה, כבר אנו רואים האטה בחוק מור. כוח מחשב פשוט לא יכול לשמור על עלייתו האקספוננציאלית המהירה באמצעות טכנולוגיית סיליקון סטנדרטית. - ד"ר. מיצ'יו קאקו – 2012

הבעיה הבסיסית בתכנון העיבוד הנוכחי היא שהטרנזיסטורים הם במצב (1) או כבוי (0). בכל פעם א שער טרנזיסטור 'מתהפך', עליו לגרש כמות מסוימת של אנרגיה לחומר ממנו עשוי השער בכדי לגרום לאותו 'להעיף' להישאר. ככל ששערים אלה הולכים וקטנים, היחס בין האנרגיה לשימוש בטרנזיסטור לבין ה- אנרגיה 'להעיף' את הטרנזיסטור הולכת וגדלה, ויוצרת חימום ואמינות גדולים בעיות. המערכות הנוכחיות מתקרבות - ובמקרים מסוימים אף חורגות - צפיפות החום הגולמית של כורים גרעיניים, וחומרים מתחילים להיכשל במעצבים שלהם. זה נקרא קלאסית 'קיר הכוח'.

לאחרונה, חלקם החלו לחשוב אחרת כיצד לבצע חישובים שימושיים. שתי חברות בפרט תפסו את תשומת ליבנו בכל הקשור לצורות מתקדמות של מחשוב קוונטי ואופטיקה. קנדי מערכות D-Wave ובריטניה מבוססת אופטליות, שלשניהם יש גישות שונות מאוד למערכות בעיות שונות מאוד.

זמן לשנות את המוזיקה

D-Wave קיבלה הרבה עיתונות בזמן האחרון, עם הקופסה השחורה המבשרת-הרעות הסופר-מקוררת שלהם עם ספייק-פנים סייבר-פאנק במיוחד, המכיל שבב עירום אניגמטי עם כוחות שקשה לדמיין.

בעיקרו של דבר, מערכת D2 נוקטת גישה שונה לחלוטין לפיתרון בעיות על ידי השלכה אפקטיבית של ספר הכללים למטרה ותוצאה. אז לאיזה בעיות מכוון הרשת התומכת של גוגל / נאס"א / לוקהיד מרטין?

האיש המהולל

מבחינה היסטורית, אם אתה רוצה לפתור NP- קשה או ביניים, שם יש מספר גבוה ביותר של פתרונות אפשריים שיש להם מגוון רחב של פוטנציאלים, תוך שימוש ב'ערכים 'הגישה הקלאסית פשוט לא עובדת. קח למשל את בעיית המוכר הנוסע; בהינתן ערי N, מצא את הדרך הקצרה ביותר לבקר בכל הערים פעם אחת. חשוב לציין כי TSP הוא גורם מרכזי בתחומים רבים כמו ייצור שבבים, לוגיסטיקה ואפילו רצף DNA,

אבל כל הבעיות הללו מסתכמות בתהליך פשוט לכאורה; בחר נקודה להתחיל ממנה, צור מסלול סביב 'דברים', למדוד את המרחק ואם יש קיים מסלול שהוא קצר ממנו, מחק את המסלול שניסה והמשיך למסלול הבא עד שלא יהיו יותר מסלולים אליו חשבון.

זה נשמע קל, ועבור ערכים קטנים, זהו; עבור 3 ערים ישנן 3 * 2 * 1 = 6 דרכים לבדוק, עבור 7 ערים יש 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, מה שלא חבל שמחשבים יטפלו בו. זה עובדתי רצף, וניתן לבוא לידי ביטוי כ- "N!", כך 5040 הוא 7 !.

עם זאת, כשאתה הולך רק מעט יותר לעשר ערים לביקור, עליך לבדוק מעל 3 מיליון מסלולים. כשמגיעים ל 100, מספר המסלולים שאתה צריך לבדוק הוא 9 ואחריו 157 ספרות. הדרך היחידה להסתכל על פונקציות מסוג זה היא להשתמש בתרשים לוגריתמי, בו ציר ה- Y מתחיל ב 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3) ) וכולי.

המספרים פשוט גדולים מדי מכדי להיות מסוגלים לעבד באופן סביר בכל מחשב שקיים כיום או יכול להתקיים באמצעות ארכיטקטורות מחשוב קלאסיות. אבל מה ש- D-Wave עושה שונה מאוד.

Vesuvius עולה

שבב הווסויוס שב D2 משתמש בסביבות 500 'qubits'או ביטים קוונטיים לביצוע חישובים אלה בשיטה שנקראת חישול קוונטי. במקום למדוד כל מסלול בו-זמנית, קוביות הווסוביוס מכוונות למצב של סופרפוזיציה (לא פועל או כבוי, פועל יחד כסוג של שדה פוטנציאלי) וסדרה של תיאורים אלגבריים מורכבים יותר ויותר של הפיתרון (כלומר סדרה של המילטוניאן תיאורי הפיתרון, לא הפיתרון עצמו) מוחלים על שדה העל-העל.

למעשה, המערכת בודקת את מידת ההתאמה של כל פתרון פוטנציאלי בו זמנית, כמו כדור 'שמחליט' איזו דרך לרדת במורד הגבעה. כאשר הסופרפוזיציה נינוחה למצב קרקעי, מצב הקרקע של הקוויברים צריך לתאר את הפיתרון האופטימלי.

רבים שאלו כמה יתרון נותנת מערכת D-Wave על פני מחשב רגיל. במבחן שנערך לאחרונה על הפלטפורמה נגד בעיית טיפוס סלמן טיפוסית, שארכה 30 דקות למחשב קלאסי, לקח רק חצי שנייה על הוושוב.

עם זאת, אם להיות ברור, זה לעולם לא יהיה מערכת שעליה אתה משחק Doom. יש פרשנים שמנסים לעשות זאת השווה מערכת מיוחדת זו מול מעבד לשימוש כללי. מוטב היה לך להשוות בין אוהיוצוללת קלאסית עם F35 ברק; כל ערך שתבחר עבור אחד כזה אינו ראוי לשני שהוא חסר תועלת.

ה- D-Wave נכנס לכמה סדרים בסדר גודל מהיר יותר בגלל הבעיות הספציפיות שלו בהשוואה למעבד רגיל, ו- FLOPS הערכות נעות בין 420 GFLOPS מרשימים יחסית לפטה-FLOPS 1.5 המפציצות מחשבה (העמיד אותה ברשימת 10 מחשבי העל המובילים בשנת 2013 בזמן אב הטיפוס הציבורי האחרון). אם בכלל, הפער הזה מדגיש את תחילת הסוף של FLOPS כמדידה אוניברסלית כאשר מיושמים על אזורי בעיה ספציפיים.

תחום מחשוב זה מכוון למערך בעיות מאוד ספציפי (ומאוד מעניין). באופן מדאיג, אחת הבעיות בתחום זה היא קריפטוגרפיה כיצד להצפין את Gmail, Outlook ודואר אלקטרוני אחרחשבונות דוא"ל מחזיקים במפתחות למידע האישי שלך. כך תוכלו להצפין את Gmail, Outlook.com וחשבונות דואר אחרים. קרא עוד - במיוחד קריפטוגרפיה של מפתח ציבורי.

למרבה המזל היישום של D-Wave נראה ממוקד באלגוריתמי אופטימיזציה, ו- D-Wave קיבל כמה החלטות עיצוביות (כמו מבנה ההצצה ההיררכי בשבב) ציין שלא יכולת להשתמש הוושובי לפתור האלגוריתם של שור, מה שעלול לפתוח את האינטרנט כל כך רע זה היה גורם לרוברט רדפורד להיות גאה.

מתמטיקה בלייזר

החברה השנייה ברשימה שלנו היא Optalysys. חברה מבוססת בבריטניה לוקחת מחשוב והופכת אותה על ראשה באמצעות סופרפוזיציה אנלוגית של אור לביצוע מחלקות מסוימות באמצעות אופי האור עצמו. הסרטון שלהלן מדגים כמה מהרקע והיסודות של מערכת Optalysys, שהוצגה על ידי פרופ ' היינץ וולף.

זה קצת גל-ידני, אבל במהותו, זו קופסה שתקווה יום אחד לשבת על שולחנך ו מספקים תמיכה חישובית לסימולציות, CAD / CAM והדמיה רפואית (ואולי, רק אולי, מחשב משחקים). כמו הווסויוס, אין מצב שפתרון ה- Optalysys יתבצע משימות מחשוב רגילות, אך לא לשם כך נועד.

דרך שימושית לחשוב על סגנון עיבוד אופטי זה היא לחשוב עליו כמו יחידת עיבוד גרפיקה פיזית (GPU). GPU מודרני הכיר את מאיץ הגרפיקה שלך בפרט מרתק עם GPU-Z [Windows]ה- GPU, או יחידת העיבוד הגרפי, הוא החלק של המחשב האחראי על הטיפול בגרפיקה. במילים אחרות, אם המשחקים קצוצים במחשב שלך או שהוא לא יכול להתמודד עם הגדרות איכותיות במיוחד, ... קרא עוד משתמשים במקביל במעבדי סטרימינג רבים במקביל, ומבצעים אותה חישוב על נתונים שונים המגיעים מאזורי זיכרון שונים. ארכיטקטורה זו הגיעה כתוצאה טבעית מאופן יצירת הגרפיקה הממוחשבת, אולם אדריכלות מקבילה מאסיבית זו שימשה לכל דבר סחר בתדירות גבוהה, ל רשתות עצביות מלאכותיות.

Optalsys נוקטת בעקרונות דומים ומתרגמת אותם למדיום פיזי; חלוקת נתונים הופכת לפיצול קרן, אלגברה לינארית הופכת הפרעות קוונטיות, פונקציות סגנון MapReduce הופכות למערכות סינון אופטיות. וכל הפונקציות הללו פועלות בזמן קבוע, באופן מיידי, באופן יעיל.

מכשיר האבטיפוס הראשוני משתמש ברשת אלמנטים של 20 × 500 × 500 כדי לבצע טרנספורמציות מהירות פורייה (בעיקרון, "אילו תדרים מופיעים בזרם קלט זה?") והעניקה שווה ערך לבלימה של 40 GFLOPS. מפתחים מתמקדים במערכת 340 GFLOPS עד שנה הבאה, אשר בהתחשב בצריכת החשמל המשוערת, הוא ציון מרשים.

אז איפה הקופסה השחורה שלי?

ה היסטוריה של מחשוב היסטוריה קצרה של מחשבים ששינו את העולםאתה יכול להקדיש שנים להתעמקות בהיסטוריה של המחשב. יש טונות של המצאות, טונות של ספרים עליהם - וזה לפני שתתחיל להצביע על האצבע המתרחשת באופן בלתי נמנע כאשר ... קרא עוד מראה לנו שמה שנמצא בראשית העתודה של מעבדות מחקר וסוכנויות ממשלתיות עושה את דרכו במהירות לחומרה צרכנית. לרוע המזל, ההיסטוריה של המחשוב עדיין לא נאלצה להתמודד עם מגבלות חוקי הפיזיקה.

באופן אישי, אני לא חושב ש- D-Wave ו- Optalysys הולכים להיות הטכנולוגיות המדויקות שיש לנו בשולחן העבודה שלנו בעוד 5-10 שנים. קחו בחשבון שהראשון שזוהה "שעון חכם" נחשף בשנת 2000 ונכשל כישלון חרוץ; אך מהות הטכנולוגיה ממשיכה להימשך גם היום. כמו כן, כנראה שהחקירות הללו במאיצי מחשוב קוונטיים ואופטיים יסתכמו כהערת שוליים ב"הדבר הגדול הבא ".

מדע החומרים הולך ומתקרב מחשבים ביולוגייםבאמצעות מבנים דמויי DNA לביצוע מתמטיקה. ננו-טכנולוגיה ו 'עניין לתכנות' המתקרב לנקודה היו במקום לעבד 'נתונים', חומר עצמו גם יכיל, ייצג ויעבד מידע.

בסך הכל זהו עולם חדש ואמיץ עבור מדען חישובי. לאן אתה חושב שהכל הולך? בואו נדבר על זה בתגובות!

קרדיט לתמונות:KL Intel Pentium A80501 מאת קונסטנטין לנזה, אסי אדום - tflop4m מאת ממשלת ארה"ב - המעבדות הלאומיות של סנדיה, DWave D2 מאת השמש של ונקובר, צ'יפ DWave 128 מאת D-Wave Systems, Inc., בעיה עם איש מכירות מאת רנדל מונרו (XKCD)