Wie funktionieren optische und Quantencomputer?

Die Rechengeschichte ist voll von Flops.

Der Apple III hatte die übliche Angewohnheit, sich in seiner verformten Schale selbst zu kochen. Der Atari Jaguar, eine "innovative" Spielkonsole, die einige falsche Aussagen über ihre Leistung hatte, konnte den Markt einfach nicht gewinnen. Der Pentium-Chip von Intel, der für leistungsstarke Buchhaltungsanwendungen entwickelt wurde, hatte Schwierigkeiten mit Dezimalzahlen.

Die andere Art von Flop, die in der Welt des Computing vorherrscht, ist die FLOPS-Messung, die seit langem als einigermaßen fairer Vergleich zwischen verschiedenen Maschinen, Architekturen und Systemen gilt.

FLOPS ist ein Maß für Fließkommaoperationen pro Sekunde. Einfach ausgedrückt ist es der Tachometer für ein Computersystem. Und es wächst seit Jahrzehnten exponentiell.

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

Supercomputer zum Supermarkt

Was ist der Unterschied zwischen den Haswell- und Ivy-Bridge-CPUs von Intel? Was ist der Unterschied zwischen Intels Haswell- und Ivy-Bridge-CPUs? Suchen Sie einen neuen Computer? Wer ein neues Intel-Notebook oder einen neuen Desktop-Computer kaufen möchte, muss die Unterschiede zwischen der letzten und der neuesten Generation von Intel-Prozessoren kennen. Der Prozessor kann rund 177 Milliarden FLOPS (GFLOPS) leisten. Dies ist schneller als der schnellste Supercomputer in den USA im Jahr 1994, der Sandia National Labs XP / s140 mit 3.680 Rechenkernen, die zusammenarbeiten.

Eine PlayStation 4 kann dank ihrer fortschrittlichen Cell-Mikroarchitektur mit rund 1,8 Billionen FLOPS betrieben werden und hätte den 55 Millionen US-Dollar teuren ASCI Red-Supercomputer übertroffen, der 1998 die weltweite Supercomputer-Liga anführte, fast 15 Jahre vor der Veröffentlichung des PS4.

Watson AI-System von IBM IBM enthüllt revolutionäres "Gehirn auf einem Chip" IBM enthüllt revolutionäres "Gehirn auf einem Chip" Letzte Woche in einem Artikel in Science angekündigt, ist "TrueNorth" ein "neuromorpher Chip" - ein Computerchip, der dafür entwickelt wurde Imitieren Sie biologische Neuronen für den Einsatz in intelligenten Computersystemen wie Watson. Read More verfügt über einen (aktuellen) Spitzenbetrieb von 80 TFLOPS und ist damit bei weitem nicht in der Top 500-Liste der heutigen Supercomputer, wobei der chinesische Tianhe-2 bei den letzten drei aufeinanderfolgenden Anlässen unter den Top 500 stand und Spitzenleistungen erzielte von 54.902 TFLOPS oder fast 55 Peta-FLOPS.

Die große Frage ist: Wo ist der nächste Supercomputer in Desktop-Größe? Die neuesten Computertechnologien, die Sie sehen müssen, um zu glauben Die neuesten Computertechnologien, die Sie sehen müssen, um zu glauben Sehen Sie sich einige der neuesten Computertechnologien an, die die Welt der Elektronik verändern werden und PCs in den nächsten Jahren. Lesen Sie mehr, die kommen werden? 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 die Materialwissenschaft und das Architekturdesign; Dank kleinerer Fertigungsverfahren im Nanometerbereich können Chips dünner und schneller sein und weniger Energie in Form von Wärme abgeben, was sie kostengünstiger macht.

Mit der Entwicklung von Multi-Core-Architekturen Ende der 2000er Jahre werden viele "Prozessoren" nun auf einen einzigen Chip gedrückt. In Kombination mit der zunehmenden Reife verteilter Rechnersysteme, bei denen viele Computer als eine einzige Maschine arbeiten können, ist der Top 500 stets gewachsen und hat gerade mit Moores berühmtem Gesetz Schritt gehalten.

Die Gesetze der Physik stehen jedoch allmählich im Weg, all dieses Wachstum zu behindern, selbst Intel macht sich Sorgen, und viele auf der ganzen Welt suchen nach dem nächsten.

… In ungefähr zehn Jahren werden wir den Zusammenbruch des Mooreschen Gesetzes erleben. Tatsächlich sehen wir bereits eine Verlangsamung des Mooreschen Gesetzes. Die Stromversorgung des Computers kann mit der Standard-Silizium-Technologie den schnellen exponentiellen Anstieg einfach nicht halten. - Dr. Michio Kaku - 2012

Das grundlegende Problem beim Stromverarbeitungsdesign besteht darin, dass die Transistoren entweder ein (1) oder aus (0) sind. Jedes Mal, wenn ein Transistorgatter "kippt", muss es eine bestimmte Menge an Energie in das Material des Gates abgeben, aus dem das Gatter besteht, damit dieses "Kippen" erhalten bleibt. Wenn diese Gates immer kleiner werden, wird das Verhältnis zwischen der Energie für die Verwendung des Transistors und der Energie zum "Kippen" des Transistors immer größer, was zu erheblichen Erwärmungs- und Zuverlässigkeitsproblemen führt. Gegenwärtige Systeme nähern sich - und in einigen Fällen sogar - die Rohwärmedichte von Kernreaktoren, und die Materialien beginnen, ihre Konstrukteure zu verlassen. Dies wird klassisch als "Power Wall" bezeichnet..

In letzter Zeit haben einige angefangen, anders darüber nachzudenken, wie nützliche Berechnungen durchgeführt werden. Insbesondere zwei Unternehmen haben unsere Aufmerksamkeit in Bezug auf fortgeschrittene Formen des Quanten- und optischen Rechnens auf sich gezogen. Kanadische D-Wave-Systeme und Optalysys mit Sitz in Großbritannien, die beide sehr unterschiedliche Ansätze für sehr unterschiedliche Problemstellungen haben.

Zeit, um die Musik zu ändern

D-Wave bekam in letzter Zeit viel Presse mit ihrer supergekühlten, ominösen Blackbox mit einem extrem Cyberpunk-Interieur-Spike, die einen geheimnisvollen Nacktchip mit schwer vorstellbaren Kräften enthielt.

Im Wesentlichen verfolgt das D2-System einen völlig anderen Ansatz zur Problemlösung, indem es das Regelwerk für Ursache und Wirkung effektiv herauswirft. Was für Probleme gibt es also bei Google / NASA / Lockheed Martin??

Der wandernde Mann

Wenn Sie ein NP-Hard- oder Intermediate-Problem lösen möchten, bei dem es extrem viele mögliche Lösungen gibt, die ein breites Potenzial bieten, dann funktioniert der klassische Ansatz einfach nicht. Nehmen Sie zum Beispiel das Problem des reisenden Verkäufers. In N-Städten finden Sie den kürzesten Weg, um alle Städte einmal zu besuchen. Es ist wichtig zu wissen, dass TSP in vielen Bereichen wie der Herstellung von Mikrochips, der Logistik und sogar der DNA-Sequenzierung ein wichtiger Faktor ist,

All diese Probleme laufen auf einen scheinbar einfachen Prozess hinaus. Wählen Sie einen Startpunkt aus, generieren Sie eine Route um N 'Dinge', messen Sie die Entfernung, und wenn es eine Route gibt, die kürzer als die Route ist, verwerfen Sie die versuchte Route und fahren Sie mit der nächsten fort, bis keine weiteren Routen mehr zu überprüfen sind.

Das hört sich einfach an und für kleine Werte ist es; Für 3 Städte gibt es 3 * 2 * 1 = 6 Routen, für 7 Städte gibt es 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, was für einen Computer nicht schlecht ist. Dies ist eine faktorielle Sequenz, die als ausgedrückt werden kann “N!”, 5040 ist also 7!.

Wenn Sie jedoch ein wenig weiter gehen, um 10 Städte zu besuchen, müssen Sie über 3 Millionen Routen testen. Wenn Sie 100 erreicht haben, müssen Sie 9 Routen überprüfen, gefolgt von 157 Ziffern Der einzige Weg, 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 einer beliebigen Maschine, die heute existiert oder mit klassischen Computerarchitekturen erstellt werden kann, vernünftig verarbeitet werden zu können. Was D-Wave macht, ist jedoch ganz anders.

Vesuv entsteht

Der Vesuvius-Chip im D2 verwendet etwa 500 'Qubits' oder Quantum Bits, um diese Berechnungen mit einer Methode durchzuführen, die als Quantum Annealing bezeichnet wird. Anstatt jede Route gleichzeitig zu messen, werden die Vesuvius Qubits in einen Überlagerungszustand (weder ein- noch ausgeschaltet, als eine Art potenzielles Feld zusammenwirkend) und eine Reihe zunehmend komplexer algebraischer Beschreibungen der Lösung (dh einer Reihe von Hamiltonianern) eingestellt Beschreibungen der Lösung, nicht eine Lösung selbst) werden auf das Überlagerungsfeld angewendet.

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

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

Um es klar zu sagen, wird dies niemals ein System sein, auf dem Sie Doom spielen. Einige Kommentatoren versuchen, dieses hochspezialisierte System mit einem Universalprozessor zu vergleichen. Sie sollten ein U-Boot der Ohio-Klasse besser mit dem F35 Lightning vergleichen. Jede von Ihnen gewählte Metrik ist für die andere so unangemessen, dass sie unbrauchbar ist.

Der D-Wave taktet im Vergleich zu einem Standardprozessor für seine spezifischen Probleme um mehrere Größenordnungen schneller. Die Schätzungen von FLOPS reichen von relativ beeindruckenden 420 GFLOPS bis hin zu atemberaubenden 1,5 Peta-FLOPS (dies ist der Top-10-Supercomputer) Liste im Jahr 2013 zum Zeitpunkt des letzten öffentlichen Prototyps). Wenn überhaupt, zeigt diese Ungleichheit den Beginn des Endes von FLOPS als universelle Messung, wenn sie auf bestimmte Problembereiche angewendet wird.

Dieser Bereich der Datenverarbeitung zielt auf sehr spezifische (und sehr interessante) Probleme. Beunruhigend ist eines der Probleme in diesem Bereich die Kryptographie. Verschlüsseln Sie Ihre Gmail, Hotmail und andere Webmail: So verschlüsseln Sie Ihre Gmail, Hotmail und andere Webmail: So schildern Edward Snowdens NSA-Enthüllungen US-amerikanische Haushalte als Schock und Ehrfurcht Familien erkannten, dass ihre Kommunikation nicht so privat war, wie sie ursprünglich gedacht hatte. Um einige zu beruhigen, lesen Sie mehr - insbesondere die Verschlüsselung mit öffentlichen Schlüsseln.

Glücklicherweise scheint sich die Implementierung von D-Wave auf Optimierungsalgorithmen konzentriert zu haben, und D-Wave hat einige Entwurfsentscheidungen getroffen (z. B. die hierarchische Peering-Struktur auf dem Chip), die darauf hinweisen, dass Sie den Vesuv nicht zum Lösen des Algorithmus von Shor verwenden könnten, wodurch möglicherweise das Internet freigeschaltet wird es würde Robert Redford so stolz machen.

Laser Maths

Das zweite Unternehmen auf unserer Liste ist Optalysys. Das in Großbritannien ansässige Unternehmen nimmt die Datenverarbeitung auf den Kopf und verwendet eine analoge Überlagerung von Licht, um bestimmte Berechnungsklassen anhand der Natur des Lichts selbst durchzuführen. Das folgende Video zeigt einige Hintergründe und Grundlagen des Optalysys-Systems von Prof. Heinz Wolff.

Es ist ein bisschen handwinklig, aber im Wesentlichen ist es eine Box, die hoffentlich eines Tages auf Ihrem Schreibtisch sitzen und Rechenunterstützung für Simulationen, CAD / CAM und medizinische Bildgebung (und vielleicht sogar Computerspiele) bereitstellen wird. Wie der Vesuv kann die Optalysys-Lösung keine Mainstream-Computeraufgaben erfüllen, aber dafür ist sie nicht gedacht.

Eine nützliche Methode, um über diese Art der optischen Verarbeitung nachzudenken, ist die Vorstellung einer physischen Grafikverarbeitungseinheit (GPU). Moderne GPU Machen Sie sich mit GPU-Z [400] mit Ihrem Grafikbeschleuniger vertraut. Lernen Sie Ihren Grafikbeschleuniger mit GPU-Z kennen! [Windows] Die GPU oder Grafikverarbeitungseinheit ist der Teil Ihres Computers Umgang mit Grafiken. Mit anderen Worten: Wenn Spiele auf Ihrem Computer abgehackt sind oder sehr hohe Einstellungen nicht möglich sind, verwenden… Read More viele parallele Streaming-Prozessoren, die dieselbe Berechnung für verschiedene Daten durchführen, die aus verschiedenen Speicherbereichen kommen. Diese Architektur ist ein natürliches Ergebnis der Generierung der Computergrafik. Diese massiv parallele Architektur wurde jedoch für alles vom Hochfrequenzhandel bis zu künstlichen neuronalen Netzwerken verwendet.

Optalsys übernimmt ähnliche Prinzipien und übersetzt sie in ein physisches Medium. Datenpartitionierung wird zur Strahlteilung, lineare Algebra wird zu Quanteninterferenz, MapReduce-Funktionen werden zu optischen Filtersystemen. Alle diese Funktionen arbeiten in einer konstanten, effektiv sofortigen Zeit.

Das anfängliche Prototyp-Gerät verwendet ein Gitter mit 20 Hz 500 × 500 Elementen, um schnelle Fourier-Transformationen durchzuführen (im Grunde genommen), “welche Frequenzen erscheinen in diesem Eingangsstrom?”) und hat ein enttäuschendes Äquivalent von 40 GFLOPS geliefert. Die Entwickler streben bis nächstes Jahr ein 340-GFLOPS-System an, was angesichts des geschätzten Stromverbrauchs eine beeindruckende Punktzahl wäre.

Wo ist meine Black Box??

Die Geschichte des Computers Eine kurze Geschichte der Computer, die die Welt verändert hat Eine kurze Geschichte der Computer, die die Welt verändert haben Sie 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 mit dem Fingerzeig beginnen, was unvermeidlich der Fall ist, wenn… Read More zeigt, dass das, was anfänglich die Reserve von Forschungslabors und Regierungsbehörden ist, schnell in den Verbraucher gelangt Hardware. Leider hat sich die Geschichte des Computing noch nicht mit den Beschränkungen der Gesetze der Physik befasst.

Ich persönlich glaube nicht, dass D-Wave und Optalysys genau die Technologien sein werden, die wir in 5-10 Jahren auf unseren Schreibtischen haben. Betrachten Sie das als erstes erkennbar “Smartwatch” wurde im Jahr 2000 enthüllt und scheiterte kläglich; Aber das Wesentliche der Technologie dauert bis heute an. Ebenso werden diese Untersuchungen der Beschleuniger von Quantum und Optical Computing wahrscheinlich als Fußnoten in "the next big thing" enden..

Die Materialwissenschaften rücken näher an biologische Computer heran und verwenden DNA-ähnliche Strukturen, um Mathematik durchzuführen. Nanotechnologie und "Programmierbare Materie" nähert sich dem Punkt, an dem nicht "Daten" verarbeitet wurden. Material selbst wird Informationen enthalten, repräsentieren und verarbeiten.

Alles in allem ist es eine schöne neue Welt für einen Computerwissenschaftler. Wo denkst du, geht das alles? Lass uns in den Kommentaren darüber reden!

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

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