Hoe werken optische en kwantumcomputers?

Computing-geschiedenis zit vol met Flops.

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

Maar de andere vorm van flop die heerst in de wereld van computers is de FLOPS-meting, lang begroet 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 groeit al decennia lang exponentieel.

Dus wat als ik je zou vertellen dat je over een paar jaar een systeem op je bureau of op je tv of op je telefoon zou hebben die de vloer van de supercomputers van vandaag zou wissen? Incredible? Ik ben een gek? Bekijk de geschiedenis voordat je oordeelt.

Supercomputer naar supermarkt

Een recente Intel i7 Haswell So What's The Difference Between Intel's Haswell en Ivy Bridge CPU's? Dus wat is het verschil tussen Intel's Haswell en Ivy Bridge CPU's? Op zoek naar een nieuwe computer? Degenen die winkelen voor een nieuwe Intel-laptop of pc, moeten op de hoogte zijn van de verschillen tussen de laatste en de nieuwste generatie Intel-processors. Read More processor kan ongeveer 177 miljard FLOPS (GFLOPS) uitvoeren, wat sneller is dan de snelste supercomputer in de VS in 1994, de Sandia National Labs XP / s140 met 3.680 computerkorrels die samenwerken.

Een PlayStation 4 kan werken met ongeveer 1,8 triljoen FLOPS dankzij de geavanceerde micro-architectuur van de cel en zou de bijna $ 55 miljoen ASCI Red-supercomputer die in 1998 de top van de supercomputer-competitie was, overtroefd hebben, bijna 15 jaar voordat de PS4 werd uitgebracht.

IBM's Watson AI-systeem IBM onthult revolutionaire 'Brain on a Chip' IBM onthult revolutionaire 'Brain on a Chip' Vorige week werd het via een artikel in Science aangekondigd 'TrueNorth', wat bekend staat als een 'neuromorfe chip' - een computerchip ontworpen om imiteren biologische neuronen, voor gebruik in intelligente computersystemen zoals Watson. Read More heeft een (huidige) piekverrichting 80 TFLOPS, en dat is nog lang niet in de buurt om het in de Top 500-lijst van supercomputers van vandaag te laten, waarbij de Chinese Tianhe-2 de Top 500 van de afgelopen 3 opeenvolgende keren kopte, met een topprestatie van 54.902 TFLOPS, of bijna 55 Peta-FLOPS.

De grote vraag is, waar is de volgende desktop-size supercomputer De nieuwste computertechnologie die u moet geloven De nieuwste computertechnologie die u moet zien om te geloven Bekijk enkele van de nieuwste computertechnologieën die zijn ingesteld om de wereld van elektronica te transformeren en pc's in de komende paar jaar. Meer lezen waar vandaan komt? En nog belangrijker, wanneer krijgen we het?

Nog een steen in de Power Wall

In de recente geschiedenis zijn de drijvende krachten tussen deze indrukwekkende winst in snelheid geweest in materiële wetenschap en architectuurontwerp; kleinere productieprocessen op nanometerschaal zorgen ervoor dat chips dunner en sneller kunnen zijn en minder energie storten in de vorm van warmte, waardoor ze goedkoper kunnen worden uitgevoerd.

Ook, met de ontwikkeling van multi-core architecturen tijdens de late jaren 2000, zijn veel 'processoren' nu op één enkele chip geperst. Deze technologie, in combinatie met de toenemende volwassenheid van gedistribueerde rekensystemen, waar veel 'computers' als één machine kunnen werken, betekent dat de Top 500 altijd is gegroeid, ongeveer om bij te blijven met de beroemde wet van Moore.

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

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

Het fundamentele probleem met het huidige ontwerp van de verwerking is dat de transistoren ofwel op (1) of uit (0) staan. Telkens wanneer een transistorpoort 'flipt', moet deze een bepaalde hoeveelheid energie in het materiaal waaruit de poort is gemaakt, verwijderen om die 'flip' te behouden. Naarmate deze poorten kleiner en kleiner worden, wordt de verhouding tussen de energie om de transistor te gebruiken en de energie om de transistor te 'omdraaien' groter en groter, waardoor grote problemen met verwarming en betrouwbaarheid ontstaan. De huidige systemen naderen - en in sommige gevallen overschrijden ze - de onbewerkte warmtedichtheid van kernreactoren en materialen beginnen hun ontwerpers tekort te doen. Dit wordt klassiek de 'Power Wall' genoemd.

Onlangs zijn sommigen begonnen anders te denken over het uitvoeren van bruikbare berekeningen. Twee bedrijven in het bijzonder hebben onze aandacht getrokken in termen van geavanceerde vormen van quantum en optisch computergebruik. Canadese D-Wave-systemen en in het Verenigd Koninkrijk gevestigde Optalysys, die allebei een heel verschillende aanpak hebben voor heel verschillende probleempakketten.

Tijd om de muziek te veranderen

D-Wave kreeg de laatste tijd veel druk, met hun supergekoelde onheilspellende zwarte doos met een extreem cyberpunk spike in de binnenzijde, met een raadselachtige naakte chip met moeilijk te verbeelden krachten.

In wezen neemt het D2-systeem een ​​heel andere benadering van probleemoplossing aan door het oorzaak-en-gevolg-rulebook effectief uit te werpen. Dus wat voor soort problemen is deze door Google / NASA / Lockheed Martin gesteunde gigantische doelwit?

The Rambling Man

Historisch gezien, als je een NP-hard of tussenprobleem wilt oplossen, waar er een extreem groot aantal mogelijke oplossingen is met een breed scala aan mogelijkheden, dan gebruikt de 'waarden' de klassieke benadering simpelweg niet. Neem bijvoorbeeld het probleem van de reizende verkoper; gezien N-steden, vind je het kortste pad om alle steden ooit te bezoeken. Het is belangrijk op te merken dat TSP een belangrijke factor is op vele gebieden, zoals de fabricage van microchips, logistiek en zelfs DNA-sequencing,

Maar al deze problemen komen neer op een ogenschijnlijk eenvoudig proces; Kies een punt om vanaf te beginnen, genereer een route rond N 'dingen', meet de afstand en als er een bestaande route is die korter is dan deze, gooi dan de gepoogde route weg en ga door naar de volgende totdat er geen routes meer zijn om te 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 Factorial-reeks en kan worden uitgedrukt als “N!”, dus 5040 is 7!.

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

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 komt tevoorschijn

De Vesuvius-chip in de D2 gebruikt ongeveer 500 'qubits' of Quantum Bits om deze berekeningen uit te voeren met behulp van de methode Quantum Gloeien. In plaats van elke route tegelijkertijd te meten, worden de Vesuvius Qubits in een superpositietoestand geplaatst (noch aan of uit, samen als een soort potentieel veld) en een reeks steeds complexere algebraïsche beschrijvingen van de oplossing (dwz een serie 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 afgaat. Wanneer de superpositie wordt ontspannen in een grondtoestand, moet die grondtoestand van de qubits de optimale oplossing 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 Traveling Saleman-probleem, dat 30 minuten duurde voor een klassieke computer, duurde het slechts een halve seconde op de Vesuvius.

Voor de duidelijkheid, dit wordt nooit een systeem dat je Doom On speelt. Sommige commentatoren proberen dit zeer gespecialiseerde systeem te vergelijken met een processor voor algemene doeleinden. Je zou beter een Ohio-klasse onderzeeër kunnen vergelijken met de F35 Lightning; elke metriek die u selecteert voor een is zo ongepast voor de ander dat deze nutteloos is.

De D-Wave klokt sneller in voor een aantal 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 (waardoor het in de Top 10-supercomputer staat lijst in 2013 ten tijde van het laatste publieke prototype). Deze verschillen benadrukken in elk geval het begin van het einde van FLOPS als een universele meting wanneer toegepast op specifieke probleemgebieden.

Dit computergebied is gericht op een zeer specifieke (en zeer interessante) reeks problemen. Verontrustend genoeg is een van de problemen binnen dit domein cryptografie. Codeer Je Gmail, Hotmail en Andere Webmail: Hier is hoe je Gmail, Hotmail en andere webmail codeert: Hier is hoe de onthullingen van NSA van Edward Snowden shock en eer brachten voor Amerikaanse huishoudens, als individuen en gezinnen begonnen zich te realiseren dat hun communicatie niet zo privé was als ze aanvankelijk hadden gedacht. Om een ​​deel rustig te maken ... Lees meer - specifiek Public Key Cryptography.

Gelukkig is de implementatie van D-Wave gericht op optimalisatie-algoritmen en D-Wave heeft enkele ontwerpbeslissingen genomen (zoals de hiërarchische peeringstructuur op de chip) die aangeeft dat je de Vesuvius niet kon gebruiken om het algoritme van Shor op te lossen, waardoor het internet zou kunnen ontgrendelen zo erg dat het Robert Redford trots zou maken.

Laser wiskunde

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

Het is een beetje handzwaaien, maar in essentie is het een doos die hopelijk op een dag op je bureau zal zitten en rekenhulp zal bieden voor simulaties, CAD / CAM en medische beeldvorming (en misschien, misschien zelfs, computergames). Net als de Vesuvius kan de Optalysys-oplossing geen algemene computertaken uitvoeren, maar dat is niet waarvoor het is ontworpen.

Een handige manier om na te denken over deze stijl van optische verwerking is om het te zien als een fysieke grafische verwerkingseenheid (GPU). Moderne GPU Maak kennis met uw grafische versneller in buitengewoon gedetailleerd met GPU-Z [Windows] Maak kennis met uw grafische versneller in buitengewoon detail met GPU-Z [Windows] De GPU, of grafische verwerkingseenheid, is het gedeelte van uw computer dat de leiding heeft van grafische afbeeldingen. Met andere woorden, als games schokkerig zijn op uw computer of niet overweg kunnen met instellingen van zeer hoge kwaliteit, gebruikt ... Read More vele, parallel aan elkaar lopende, streamingprocessoren, waarbij dezelfde berekening wordt uitgevoerd op verschillende gegevens afkomstig uit verschillende geheugengebieden. Deze architectuur kwam als een natuurlijk resultaat van de manier waarop de computergrafieken worden gegenereerd, maar deze massaal parallelle architectuur is gebruikt voor alles van hoogfrequente handel tot kunstmatige neurale netwerken..

Optalsys neemt vergelijkbare principes en vertaalt deze in een fysiek medium; gegevenspartitionering wordt straalsplitsing, lineaire algebra wordt quantuminterferentie, MapReduce-stijlfuncties worden optische filtersystemen. En al deze functies werken in constant, effectief ogenblikkelijk, tijd.

Het eerste prototype maakt gebruik van een 20 Hz 500 × 500 elementenraster voor het uitvoeren van Fast Fourier-transformaties (in principe, “welke frequenties verschijnen in deze invoerstroom?”) en heeft een overweldigend equivalent van 40 GFLOPS opgeleverd. Ontwikkelaars richten zich volgend jaar op een 340 GFLOPS-systeem, dat gezien de geschatte stroomopname een indrukwekkende score zou zijn.

Dus waar is mijn Black Box?

De geschiedenis van computers Een korte geschiedenis van computers die de wereld veranderden Een korte geschiedenis van computers die de wereld veranderden U kunt jaren spenderen in de geschiedenis van de computer. Er zijn heel veel uitvindingen, heel veel boeken over - en dat is voordat je begint in de vinger te wijzen die onvermijdelijk voorkomt wanneer ... Lees meer laat zien dat wat aanvankelijk het reservaat van onderzoekslaboratoria en overheidsinstanties is, snel zijn weg vindt naar de consument hardware. Helaas heeft de geschiedenis van de computerwereld nog niet te maken gehad met de beperkingen van de wetten van de fysica.

Persoonlijk denk ik niet dat D-Wave en Optalysys de exacte technologieën zullen zijn die we op onze bureaus hebben over 5-10 jaar. Bedenk dat de eerste herkenbaar is “Smart Watch” werd onthuld in 2000 en mislukte jammerlijk; maar de essentie van de technologie gaat door vandaag. Op dezelfde manier zullen deze verkenningen in Quantum en Optical computing-accelerators waarschijnlijk eindigen als voetnoten in 'the next big thing'.

Materiaalwetenschap komt dichter bij biologische computers en gebruikt DNA-achtige structuren om wiskunde uit te voeren. Nanotechnologie en 'Programmable Matter' nadert het punt in plaats van het verwerken van 'data', materiaal zelf zal informatie bevatten, representeren en verwerken.

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

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

Ontdek meer over: CPU.