Wie funktionieren optische und Quantencomputer?

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Die Computergeschichte ist voller Flops.

Das Apple III hatte die böse Angewohnheit, sich in seiner deformierten Schale selbst zu kochen. Das Atari Jaguar, eine "innovative" Spielekonsole, die einige falsche Behauptungen über ihre Leistung hatte, konnte den Markt einfach nicht erobern. Intel Flaggschiff Pentium-Chip für Hochleistungs-Buchhaltungsanwendungen entwickelt hatte Schwierigkeiten mit Dezimalzahlen.

Aber die andere Art von Flop, die in der Computerwelt vorherrscht, ist der FLOPS Messung, lange gefeiert als einigermaßen fairer Vergleich zwischen verschiedenen Maschinen, Architekturen und Systemen.

FLOPS ist ein Maß für Gleitkommaoperationen pro Sekunde. Einfach gesagt, es ist der Tacho für ein Computersystem. Und das war es auch schon seit Jahrzehnten exponentiell wachsen.

Was wäre, wenn ich Ihnen sagen würde, dass in ein paar Jahren ein System auf Ihrem Schreibtisch, in Ihrem Fernseher oder in Ihrem Telefon steht, das den Boden der heutigen Supercomputer abwischen würde? Unglaublich? Ich bin ein Verrückter? Schauen Sie sich die Geschichte an, bevor Sie urteilen.

Supercomputer zum Supermarkt

Ein neuer Intel i7 Haswell Was ist der Unterschied zwischen den Haswell- und Ivy Bridge-CPUs von Intel?Suchen Sie einen neuen Computer? Wer einen neuen Intel-Laptop oder Desktop kauft, muss die Unterschiede zwischen der letzten und der neuesten Generation von Intel-Prozessoren kennen. Weiterlesen Prozessor kann etwa durchführen 177 Milliarden FLOPS (GFLOPS), der 1994 schneller ist als der schnellste Supercomputer in den USA Sandia National Labs XP / s140 mit 3.680 zusammenarbeitenden Rechenkernen.

Eine PlayStation 4 kann dank ihrer fortschrittlichen Leistung mit rund 1,8 Billionen FLOPS betrieben werden Zellmikroarchitekturund hätte das übertrumpft 55 Millionen US-Dollar ASCI Red Supercomputer, der 1998, fast 15 Jahre vor der Veröffentlichung der PS4, die weltweite Supercomputer-Liga anführte.

IBMs Watson AI System IBM enthüllt revolutionäres "Brain on a Chip""TrueNorth" wurde letzte Woche über einen Artikel in Science angekündigt und ist ein sogenannter "neuromorpher Chip" - a Computerchip zur Nachahmung biologischer Neuronen, zur Verwendung in intelligenten Computersystemen wie Watson. Weiterlesen hat eine (aktuelle) Spitzenbetrieb 80 TFLOPSund das ist bei weitem nicht annähernd die Aufnahme in die Top 500-Liste der heutigen Supercomputer mit dem Chinesische Tianhe-2 in den letzten drei aufeinander folgenden Gelegenheiten die Top 500 anführen, mit einer Spitzenleistung von 54,902 TFLOPS oder fast 55 Peta-FLOPS.

Die große Frage ist, wo ist die nächste Supercomputer in Desktop-Größe Die neueste Computertechnologie, die Sie sehen müssen, um zu glaubenSchauen Sie sich einige der neuesten Computertechnologien an, die die Welt der Elektronik und PCs in den nächsten Jahren verändern werden. Weiterlesen wird kommen von? Und was noch wichtiger ist, wann bekommen wir es?

Ein weiterer Stein in der Power Wall

In der jüngeren Geschichte waren die treibenden Kräfte zwischen diesen beeindruckenden Geschwindigkeitsgewinnen Materialwissenschaften und Architekturdesign. Durch Herstellungsprozesse im kleineren Nanometerbereich können Chips dünner und schneller sein und weniger Energie in Form von Wärme abgeben, wodurch sie billiger zu betreiben sind.

Mit der Entwicklung von Multi-Core-Architekturen in den späten 2000er Jahren werden viele „Prozessoren“ jetzt auf einen einzigen Chip gepresst. Diese Technologie, kombiniert mit der zunehmenden Reife verteilter Rechensysteme, wo viele "Computer" können als eine einzige Maschine betrieben werden, was bedeutet, dass die Top 500 immer gewachsen sind, nur um zu halten Tempo mit Moores berühmtes Gesetz.

Die Die Gesetze der Physik beginnen all diesem Wachstum im Wege zu stehen, sogar Intel macht sich darüber Sorgenund viele auf der ganzen Welt suchen nach dem nächsten Ding.

… In ungefähr zehn Jahren werden wir den Zusammenbruch von Moores Gesetz sehen. Tatsächlich sehen wir bereits eine Verlangsamung von Moores Gesetz. Die Computerleistung kann mit der Standard-Siliziumtechnologie ihren schnellen exponentiellen Anstieg einfach nicht aufrechterhalten. - DR. Michio Kaku – 2012

Das grundlegende Problem beim aktuellen Verarbeitungsdesign besteht darin, dass die Transistoren entweder ein (1) oder aus (0) sind. Jedes Mal a Transistorgatter "Flips" muss eine bestimmte Menge Energie in das Material ausstoßen, aus dem das Gate besteht, damit dieser "Flip" bleibt. Wenn diese Gatter immer kleiner werden, ist das Verhältnis zwischen der Energie zur Verwendung des Transistors und dem Die Energie zum „Umdrehen“ des Transistors wird immer größer, was zu einer erheblichen Erwärmung und Zuverlässigkeit führt Probleme. Gegenwärtige Systeme nähern sich der Rohwärmedichte von Kernreaktoren und übertreffen diese in einigen Fällen, und Materialien beginnen, ihre Konstrukteure zu scheitern. Dies wird klassisch als bezeichnet "Power Wall".

In letzter Zeit haben einige angefangen, anders darüber nachzudenken, wie nützliche Berechnungen durchgeführt werden können. Insbesondere zwei Unternehmen haben unsere Aufmerksamkeit auf fortschrittliche Formen des Quanten- und optischen Rechnens gelenkt. kanadisch D-Wave-Systeme und in Großbritannien ansässig Optalysys, die beide extrem unterschiedliche Ansätze für sehr unterschiedliche Problemstellungen haben.

Zeit, die Musik zu ändern

D-Wave hat in letzter Zeit viel Presse bekommen, mit ihrer supergekühlten, bedrohlichen Black Box mit einem extrem Cyberpunk-Interieur-Spike, der einen rätselhaften Naked-Chip mit schwer vorstellbaren Kräften enthält.

Im Wesentlichen verfolgt das D2-System einen völlig anderen Ansatz zur Problemlösung, indem das Ursache-Wirkungs-Regelwerk effektiv verworfen wird. Auf welche Art von Problemen zielt dieses von Google / NASA / Lockheed Martin unterstützte Ungetüm ab?

Der wandernde Mann

Historisch, wenn Sie eine lösen wollen NP-hartes oder mittleres ProblemWenn es eine extrem hohe Anzahl möglicher Lösungen mit einem breiten Potenzial gibt, funktioniert der klassische Ansatz unter Verwendung von „Werten“ einfach nicht. Nehmen Sie zum Beispiel das Problem des Handlungsreisenden. Finden Sie in N-Städten den kürzesten Weg, um alle Städte einmal zu besuchen. Es ist wichtig anzumerken, dass TSP in vielen Bereichen wie der Herstellung von Mikrochips, der Logistik und sogar der DNA-Sequenzierung ein wichtiger Faktor ist.

Aber all diese Probleme laufen auf einen scheinbar einfachen Prozess hinaus; Wählen Sie einen Punkt aus, von dem aus Sie beginnen möchten, erstellen Sie eine Route um N "Dinge", messen Sie die Entfernung und geben Sie an, ob eine vorhanden ist Route, die kürzer als diese ist, verwerfen Sie die versuchte Route und fahren Sie mit der nächsten fort, bis keine Routen mehr vorhanden sind prüfen.

Das klingt einfach und für kleine Werte ist es das; Für 3 Städte müssen 3 * 2 * 1 = 6 Routen überprüft werden. Für 7 Städte gibt es 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, was für einen Computer nicht schlecht ist. Das ist ein Fakultät Sequenz und kann als "N!" ausgedrückt werden, also ist 5040 7!.

Wenn Sie jedoch nur ein Stück weiter gehen und 10 Städte besuchen möchten, müssen Sie mehr als 3 Millionen Routen testen. Wenn Sie 100 erreichen, müssen Sie 9 Routen überprüfen, gefolgt von 9 157 Ziffern. Die einzige Möglichkeit, diese Art von Funktionen zu betrachten, ist die Verwendung eines logarithmischen Graphen, bei dem die y-Achse bei 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3) beginnt ) und so weiter.

Die Zahlen werden einfach zu groß, um auf jedem Computer, der heute existiert oder mit klassischen Computerarchitekturen existieren kann, vernünftig verarbeitet werden zu können. Aber was D-Wave macht, ist ganz anders.

Der Vesuv taucht auf

Der Vesuv-Chip in der D2 verwendet rund 500 ‘Qubits‘Oder Quantenbits, um diese Berechnungen mit einer Methode namens durchzuführen Quantenglühen. Anstatt jede Route einzeln zu messen, werden die Vesuv-Qubits in einen Überlagerungszustand versetzt (weder ein- noch ausgeschaltet, in Betrieb) zusammen als eine Art potentielles Feld) und eine Reihe zunehmend komplexer algebraischer Beschreibungen der Lösung (d. h. eine Reihe) von Hamiltonianer Beschreibungen der Lösung, keine Lösung selbst) werden auf das Überlagerungsfeld angewendet.

Tatsächlich testet das System gleichzeitig die Eignung jeder möglichen Lösung, wie ein Ball, der entscheidet, wie man einen Hügel hinuntergeht. Wenn die Überlagerung in einen Grundzustand entspannt wird, sollte dieser Grundzustand der Qubits die optimale Lösung beschreiben.

Viele haben sich gefragt, welchen Vorteil das D-Wave-System gegenüber einem herkömmlichen Computer bietet. In einem kürzlich durchgeführten Test der Plattform gegen ein typisches Travelling Saleman-Problem, das für einen klassischen Computer 30 Minuten dauerte, dauerte nur eine halbe Sekunde auf dem Vesuv.

Um klar zu sein, wird dies niemals ein System sein, auf dem Sie Doom spielen. Einige Kommentatoren versuchen es Vergleichen Sie dieses hochspezialisierte System mit einem Universalprozessor. Sie sollten einen besser vergleichen OhioU-Boot der Klasse mit dem F35 Blitz; Jede Metrik, die Sie für eine auswählen, ist für die andere so unangemessen, dass sie unbrauchbar ist.

Die D-Wave taktet aufgrund ihrer spezifischen Probleme im Vergleich zu einem Standardprozessor und FLOPS um mehrere Größenordnungen schneller ein Schätzungen reichen von relativ beeindruckende 420 GFLOPS zu atemberaubenden 1,5 Peta-FLOPS (Aufnahme in die Top 10 der Supercomputer-Liste im Jahr 2013 zum Zeitpunkt des letzten öffentlichen Prototyps). Wenn überhaupt, hebt diese Ungleichheit den Beginn des Endes von FLOPS als universelle Messung hervor, wenn sie auf bestimmte Problembereiche angewendet wird.

Dieser Bereich des Rechnens zielt auf eine sehr spezifische (und sehr interessante) Reihe von Problemen ab. Besorgniserregend ist eines der Probleme in diesem Bereich Kryptographie So verschlüsseln Sie Google Mail, Outlook und andere WebmailE-Mail-Konten enthalten die Schlüssel zu Ihren persönlichen Daten. So verschlüsseln Sie Ihre Google Mail-, Outlook.com- und anderen E-Mail-Konten. Weiterlesen - speziell Public Key Cryptography.

Zum Glück scheint sich die Implementierung von D-Wave auf Optimierungsalgorithmen zu konzentrieren, und D-Wave traf einige Entwurfsentscheidungen (wie die hierarchische Peering-Struktur auf dem Chip) Geben Sie an, dass Sie nicht verwenden konnten der Vesuv zu lösen Shors Algorithmus, was möglicherweise das Internet so schlecht entsperren würde es würde Robert Redford stolz machen.

Lasermathematik

Das zweite Unternehmen auf unserer Liste ist Optalysys. Das in Großbritannien ansässige Unternehmen nimmt das Rechnen und stellt es mithilfe der analogen Überlagerung von Licht auf den Kopf, um bestimmte Berechnungsklassen unter Verwendung der Natur des Lichts selbst durchzuführen. Das folgende Video zeigt einige der Hintergründe und Grundlagen des Optalysys-Systems, die von vorgestellt werden Prof. Prof. Heinz Wolff.

Es ist ein bisschen handgewellt, aber im Wesentlichen ist es eine Schachtel, die hoffentlich eines Tages auf Ihrem Schreibtisch sitzen wird und bieten Rechenunterstützung für Simulationen, CAD / CAM und medizinische Bildgebung (und vielleicht, nur vielleicht, Computer) Spiele). Wie beim Vesuv gibt es keine Möglichkeit, dass die Optalysys-Lösung Mainstream-Computeraufgaben ausführt, aber dafür ist sie nicht konzipiert.

Eine nützliche Möglichkeit, über diesen Stil der optischen Verarbeitung nachzudenken, besteht darin, ihn als eine physische Grafikverarbeitungseinheit (GPU) zu betrachten. Moderne GPU Lernen Sie Ihren Grafikbeschleuniger mit GPU-Z [Windows] bis ins kleinste Detail kennen.Die GPU oder Grafikverarbeitungseinheit ist der Teil Ihres Computers, der für die Verarbeitung von Grafiken zuständig ist. Mit anderen Worten, wenn Spiele auf Ihrem Computer abgehackt sind oder keine Einstellungen für sehr hohe Qualität verarbeiten können, ... Weiterlesen Verwenden Sie viele, viele Streaming-Prozessoren parallel und führen Sie dieselbe Berechnung für verschiedene Daten aus, die aus verschiedenen Speicherbereichen eingehen. Diese Architektur ist ein natürliches Ergebnis der Art und Weise, wie die Computergrafiken erzeugt werden, aber diese massiv parallele Architektur wurde für alles von verwendet Hochfrequenzhandelzu Künstliche neurale Netzwerke.

Optalsys verwendet ähnliche Prinzipien und übersetzt sie in ein physikalisches Medium. Datenaufteilung wird zur Strahlaufteilung, lineare Algebra wird QuanteninterferenzFunktionen im MapReduce-Stil werden zu optischen Filtersystemen. Und all diese Funktionen arbeiten in konstanter, effektiv augenblicklicher Zeit.

Der erste Prototyp verwendet ein 20Hz 500 × 500-Elementgitter, um schnelle Fourier-Transformationen durchzuführen (im Grunde "welche Frequenzen erscheinen in diesem Eingangsstrom?") und hat ein überwältigendes Äquivalent geliefert von 40 GFLOPS. Entwickler zielen auf ein 340 GFLOPS-System von nächstes JahrDies wäre angesichts des geschätzten Stromverbrauchs eine beeindruckende Punktzahl.

Wo ist meine Black Box?

Das Geschichte des Rechnens Eine kurze Geschichte von Computern, die die Welt verändert habenSie können Jahre damit verbringen, sich mit der Geschichte des Computers zu beschäftigen. Es gibt Unmengen von Erfindungen, Unmengen von Büchern darüber - und das ist, bevor Sie sich mit dem Fingerzeig befassen, der unvermeidlich auftritt, wenn ... Weiterlesen zeigt uns, dass das, was anfangs den Forschungslabors und Regierungsbehörden vorbehalten ist, schnell Eingang in Consumer-Hardware findet. Leider musste sich die Geschichte des Rechnens noch nicht mit den Einschränkungen der Gesetze der Physik befassen.

Persönlich glaube ich nicht, dass D-Wave und Optalysys genau die Technologien sein werden, die wir in 5-10 Jahren auf unseren Schreibtischen haben. Bedenken Sie, dass das erste erkennbar ist "Smartwatch" wurde im Jahr 2000 enthüllt und scheiterte kläglich; Aber die Essenz der Technologie setzt sich bis heute fort. Ebenso werden diese Untersuchungen zu Beschleunigern für Quanten- und optische Computer wahrscheinlich als Fußnoten in „the next big thing“ enden.

Die Materialwissenschaft rückt näher biologische Computerunter Verwendung von DNA-ähnlichen Strukturen, um Mathematik durchzuführen. Nanotechnologie und Programmierbare Materie nähert sich dem Punkt, an dem das Material selbst keine Daten verarbeitet, sondern Informationen enthält, darstellt und verarbeitet.

Alles in allem ist es eine schöne neue Welt für einen Computerwissenschaftler. Wo geht das wohl hin? Lass uns in den Kommentaren darüber plaudern!

Bildnachweis:KL Intel Pentium A80501 von Konstantin Lanzet, Asci red - tflop4m von der US-Regierung - Sandia National Laboratories, DWave D2 von The Vancouver Sun, DWave 128chip von D-Wave Systems, Inc., Problem mit dem reisenden Verkäufer von Randall Munroe (XKCD)