Come funzionano i computer ottici e quantistici?

La storia del computer è piena di flop.

L'Apple III aveva una brutta abitudine di cucinarsi nel suo guscio deformato. L'Atari Jaguar, una console di gioco 'innovativa' che aveva alcune affermazioni spurie sulle sue prestazioni, non riusciva a conquistare il mercato. Il chip Pentium di punta di Intel progettato per applicazioni contabili ad alte prestazioni ha avuto difficoltà con i numeri decimali.

Ma l'altro tipo di flop che prevale nel mondo dell'informatica è la misurazione FLOPS, a lungo salutata come un confronto ragionevolmente equo tra diverse macchine, architetture e sistemi.

FLOPS è una misura delle operazioni in virgola mobile al secondo. In parole povere, è il tachimetro per un sistema informatico. Ed è cresciuto in modo esponenziale per decenni.

Che cosa succede se ti dicessi che tra qualche anno avrai un sistema seduto sulla tua scrivania, o nella tua TV o nel tuo telefono, che spazzerebbe via il pavimento dei supercomputer di oggi? Incredibile? Sono un pazzo? Dai un'occhiata alla storia prima di giudicare.

Supercomputer al supermercato

Un recente Intel i7 Haswell Allora Qual è la differenza tra le CPU Intel Haswell e Ivy Bridge? Quindi, qual è la differenza tra le CPU Intel Haswell e Ivy Bridge? Alla ricerca di un nuovo computer? Chi acquista un nuovo laptop o desktop con processore Intel deve conoscere le differenze tra l'ultima e l'ultima generazione di processori Intel. Maggiori informazioni Il processore può eseguire circa 177 miliardi di FLOP (GFLOPS), che è più veloce del più veloce supercomputer negli Stati Uniti nel 1994, il Sandia National Labs XP / s140 con 3.680 core di elaborazione che lavorano insieme.

Una PlayStation 4 può funzionare a circa 1,8 trilioni di FLOP grazie alla sua avanzata micro-architettura Cell, e avrebbe vinto il $ 55 milioni di supercomputer ASCI Red che ha superato il campionato mondiale dei supercomputer nel 1998, circa 15 anni prima che la PS4 venisse rilasciata.

IBM Watson AI System IBM rivela "Brain on a Chip" rivoluzionario IBM rivela "Brain on a Chip" rivoluzionario Annunciata la scorsa settimana tramite un articolo su Science, "TrueNorth" è un cosiddetto "chip neuromorfico", un chip progettato per imitare i neuroni biologici, per l'uso in sistemi informatici intelligenti come Watson. Leggi di più ha una (attuale) operazione di picco 80 TFLOPS, e non è neanche lontanamente vicino a farla entrare nella top 500 dei supercomputer di oggi, con il cinese Tianhe-2 che guida la Top 500 nelle ultime 3 occasioni consecutive, con un picco di prestazioni di 54,902 TFLOPS, o quasi 55 Peta-FLOPS.

La grande domanda è, dov'è il prossimo supercomputer desktop-size L'ultima tecnologia informatica che devi vedere per credere all'ultima tecnologia informatica che devi vedere per credere Scopri alcune delle più recenti tecnologie informatiche che sono state progettate per trasformare il mondo dell'elettronica e PC nei prossimi anni. Per saperne di più sta per venire? E ancora più importante, quando lo stiamo ottenendo?

Un altro mattone nel muro del potere

Nella storia recente, le forze trainanti tra questi impressionanti progressi nella velocità sono state nella scienza dei materiali e nella progettazione dell'architettura; processi di produzione su scala nanometrica più piccoli significa che i chip possono essere più sottili, più veloci e scaricare meno energia sotto forma di calore, il che li rende più economici da gestire.

Inoltre, con lo sviluppo di architetture multi-core nel corso degli ultimi anni 2000, molti "processori" sono ora spremuti su un singolo chip. Questa tecnologia, combinata con la crescente maturità dei sistemi di calcolo distribuiti, in cui molti "computer" possono funzionare come una singola macchina, significa che la Top 500 è sempre stata in crescita, quasi al passo con la famosa Legge di Moore.

Tuttavia, le leggi della fisica stanno iniziando a ostacolare questa crescita, anche Intel è preoccupata per questo, e molti in tutto il mondo stanno cercando la prossima cosa.

... tra circa dieci anni, vedremo il crollo della legge di Moore. In effetti, già vediamo un rallentamento della Legge di Moore. La potenza del computer semplicemente non può mantenere il suo rapido aumento esponenziale usando la tecnologia standard del silicio. - Dr. Michio Kaku - 2012

Il problema fondamentale con la progettazione di elaborazione corrente è che i transistor sono o su (1) o su (0). Ogni volta che una porta a transistor si "ribalta", deve espellere una certa quantità di energia nel materiale di cui è fatto il cancello per far sì che il "flip" rimanga. Quando queste porte diventano sempre più piccole, il rapporto tra l'energia per utilizzare il transistor e l'energia per "capovolgere" il transistor diventa sempre più grande, creando problemi di riscaldamento e affidabilità. Gli attuali sistemi si stanno avvicinando - e in alcuni casi superano - la densità di calore grezza dei reattori nucleari, ei materiali stanno iniziando a fallire i loro progettisti. Questo è classicamente chiamato 'Power Wall'.

Recentemente, alcuni hanno iniziato a pensare in modo diverso su come eseguire calcoli utili. Due aziende in particolare hanno attirato la nostra attenzione in termini di forme avanzate di calcolo quantistico e ottico. Canadian D-Wave Systems e Optalysys con sede nel Regno Unito, che hanno entrambi approcci estremamente diversi a insiemi di problemi molto diversi.

È ora di cambiare la musica

Ultimamente D-Wave ha ottenuto molta pubblicità, con la loro minacciosa scatola nera super-raffreddata con un picco interno estremamente cyberpunk, contenente un enigmatico chip nudo con poteri difficili da immaginare.

In sostanza, il sistema D2 adotta un approccio completamente diverso al problem solving, eliminando efficacemente il libro delle regole sulla causa ed effetto. Quindi, che tipo di problemi è questo Google / NASA / Lockheed Martin supportato Behemoth mirando a?

The Rambling Man

Storicamente, se vuoi risolvere un problema NP-Hard o Intermediate, dove c'è un numero estremamente elevato di soluzioni possibili che hanno un ampio potenziale, usando i "valori" l'approccio classico semplicemente non funziona. Prendiamo ad esempio il problema del venditore ambulante; date N-città, trova il percorso più breve per visitare tutte le città una volta. È importante notare che il TSP è un fattore importante in molti campi come la produzione di microchip, la logistica e persino il sequenziamento del DNA,

Ma tutti questi problemi si riducono ad un processo apparentemente semplice; Scegli un punto da cui partire, genera un percorso intorno a N 'cose', misura la distanza, e se c'è un percorso esistente più breve di quello, scartare il percorso tentato e passare a quello successivo fino a quando non ci sono più percorsi da controllare.

Sembra facile, e per valori piccoli, lo è; per 3 città ci sono 3 * 2 * 1 = 6 percorsi da controllare, per 7 città ci sono 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, che non è male per un computer da gestire. Questa è una sequenza fattoriale e può essere espressa come “N!”, quindi 5040 è 7!.

Tuttavia, quando andrai ancora un po 'in 10 città da visitare, dovrai testare oltre 3 milioni di rotte. Quando arrivi a 100, il numero di percorsi da controllare è 9 seguito da 157 cifre. L'unico modo per osservare questo tipo di funzioni è usare un grafico logaritmico, dove l'asse y inizia a 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3 ) e così via.

I numeri diventano troppo grandi per essere in grado di elaborare in modo ragionevole su qualsiasi macchina esistente oggi o possono esistere utilizzando classiche architetture di calcolo. Ma ciò che sta facendo D-Wave è molto diverso.

Il Vesuvio emerge

Il chip del Vesuvio nel D2 utilizza circa 500 "qubit" o bit quantici per eseguire questi calcoli utilizzando un metodo chiamato ricottura quantica. Anziché misurare ogni rotta alla volta, i Qubit del Vesuvio sono impostati in uno stato di sovrapposizione (né attivo né spento, operando insieme come una sorta di campo potenziale) e una serie di descrizioni algebriche sempre più complesse della soluzione (cioè una serie di Hamiltoniane descrizioni della soluzione, non una soluzione stessa) vengono applicate al campo di sovrapposizione.

In effetti, il sistema sta testando simultaneamente l'idoneità di ogni potenziale soluzione, come una palla che "decide" in che direzione andare giù per una collina. Quando la sovrapposizione è rilassata in uno stato fondamentale, lo stato fondamentale dei qubit dovrebbe descrivere la soluzione ottimale.

Molti hanno messo in discussione il vantaggio che il sistema D-Wave offre rispetto a un computer convenzionale. In un recente test della piattaforma contro un tipico Problema di Salomon viaggiante, che ha richiesto 30 minuti per un computer classico, è bastato mezzo secondo sul Vesuvio.

Tuttavia, per essere chiari, questo non sarà mai un sistema su cui giochi Doom. Alcuni commentatori stanno cercando di confrontare questo sistema altamente specializzato con un processore per scopi generici. Faresti meglio a confrontare un sottomarino classe Ohio con l'F35 Lightning; qualsiasi metrica selezionata per una persona è così inappropriata per l'altra da risultare inutile.

La D-Wave ha un clock di diversi ordini di grandezza più veloce per i suoi problemi specifici rispetto a un processore standard, e le stime FLOPS vanno da un 420 GFLOPS relativamente impressionante a un Peta-FLOPS da 1,5 incredibili (mettendolo nel Top 10 del supercomputer elenco nel 2013 al momento dell'ultimo prototipo pubblico). Se mai, questa disparità mette in evidenza l'inizio della fine di FLOPS come misura universale quando applicato a specifiche aree problematiche.

Questa area di calcolo è finalizzata a una serie di problemi molto specifici (e molto interessanti). Preoccupante, uno dei problemi di questa sfera è la crittografia Encrypt Your Gmail, Hotmail e Other Webmail: Ecco come crittografare Gmail, Hotmail e altri Webmail: ecco come le rivelazioni della NSA di Edward Snowden hanno suscitato scalpore e timore nei confronti delle famiglie americane, come individui e le famiglie hanno iniziato a rendersi conto che le loro comunicazioni non erano così private come avevano inizialmente pensato. Per calmare parzialmente alcuni ... Per saperne di più - in particolare la crittografia a chiave pubblica.

Fortunatamente l'implementazione di D-Wave appare focalizzata sugli algoritmi di ottimizzazione e D-Wave ha preso alcune decisioni di progettazione (come la struttura gerarchica di peering sul chip) che indicano che non è possibile utilizzare il Vesuvio per risolvere l'Algoritmo di Shor, che potenzialmente sbloccherebbe Internet così tanto da rendere orgoglioso Robert Redford.

Matematica laser

La seconda azienda sulla nostra lista è Optalysys. Questa società con sede nel Regno Unito prende il calcolo e si gira sulla sua testa usando la sovrapposizione analogica della luce per eseguire determinate classi di calcolo utilizzando la natura della luce stessa. Il video qui sotto mostra alcuni dei fondamenti e dei fondamenti del sistema Optalysys, presentato dal Prof. Heinz Wolff.

È un po 'ambiguo, ma in sostanza è una scatola che si spera un giorno possa sedersi sulla scrivania e fornire supporto di calcolo per simulazioni, CAD / CAM e imaging medicale (e forse, solo forse, giochi per computer). Come il Vesuvio, la soluzione Optalysys non è in grado di eseguire attività di elaborazione mainstream, ma non è ciò che è stata progettata per.

Un modo utile per pensare a questo stile di elaborazione ottica è di pensarlo come una GPU (Graphics Processing Unit) fisica. La moderna GPU impara a conoscere il tuo acceleratore grafico in dettagli strazianti con GPU-Z [Windows] Scopri il tuo acceleratore grafico in dettagli strazianti con GPU-Z [Windows] La GPU, o unità di elaborazione grafica, è la parte del tuo computer responsabile di gestire la grafica. In altre parole, se i giochi sono instabili sul tuo computer o non possono gestire impostazioni di altissima qualità, ... Leggi di più usa molti processori di streaming in parallelo, eseguendo lo stesso calcolo su dati diversi provenienti da diverse aree di memoria. Questa architettura è nata come risultato naturale del modo in cui la computer grafica è generata, ma questa architettura massicciamente parallela è stata utilizzata per tutto, dal trading ad alta frequenza, alle reti neurali artificiali.

Optalsys prende principi simili e li traduce in un supporto fisico; la partizione dei dati diventa la divisione del fascio, l'algebra lineare diventa l'interferenza quantistica, le funzioni in stile MapReduce diventano sistemi di filtraggio ottico. E tutte queste funzioni operano in un tempo costante, effettivamente istantaneo.

Il dispositivo prototipo iniziale utilizza una griglia di elementi 20 × 500 × 500 per eseguire trasformazioni di Fourier veloce (in pratica, “quali frequenze compaiono in questo flusso di input?”) e ha consegnato uno schiacciante equivalente di 40 GFLOPS. Gli sviluppatori stanno prendendo di mira un sistema 340 GFLOPS entro l'anno prossimo, il che, considerando il consumo energetico stimato, sarebbe un punteggio impressionante.

Allora, dov'è la mia scatola nera?

La storia dell'informatica Una breve storia di computer che hanno cambiato il mondo Una breve storia di computer che hanno cambiato il mondo È possibile passare anni a scavare nella storia del computer. Ci sono tonnellate di invenzioni, tonnellate di libri su di loro - e questo è prima di iniziare a puntare il dito che inevitabilmente accade quando ... Leggi di più ci mostra che quella che inizialmente è la riserva dei laboratori di ricerca e delle agenzie governative si fa strada rapidamente nei consumatori hardware. Sfortunatamente, la storia dell'informatica non ha ancora avuto a che fare con i limiti delle leggi della fisica.

Personalmente, non penso che D-Wave e Optalysys saranno le tecnologie esatte che abbiamo sulle nostre scrivanie tra 5-10 anni. Considera che il primo è riconoscibile “Orologio intelligente” è stato inaugurato nel 2000 e fallito miseramente; ma l'essenza della tecnologia continua oggi. Allo stesso modo, queste esplorazioni negli acceleratori Quantum e Optical comporteranno probabilmente le note a piè di pagina nella "prossima grande cosa".

La scienza dei materiali si avvicina ai computer biologici, usando strutture simili al DNA per eseguire la matematica. La nanotecnologia e la "materia programmabile" si stanno avvicinando al punto piuttosto che elaborare i "dati", il materiale stesso conterrà, rappresenterà ed elaborerà le informazioni.

Tutto sommato, è un nuovo mondo coraggioso per uno scienziato computazionale. Dove pensi che stia andando tutto questo? Parliamo di questo nei commenti!

Crediti fotografici: KL Intel Pentium A80501 di Konstantin Lanzet, Asci red - tflop4m del governo degli Stati Uniti - Sandia National Laboratories, DWave D2 di The Vancouver Sun, DWave 128chip di D-Wave Systems, Inc., Travelling Salesman Problem di Randall Munroe (XKCD)

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