Bagaimana cara kerja Komputer Optik dan Kuantum?

Iklan

Sejarah komputasi penuh dengan Jepit.

Itu Apple III punya kebiasaan buruk memasak sendiri di kulitnya yang cacat. Itu Atari Jaguar, konsol game 'inovatif' yang memiliki beberapa klaim palsu tentang kinerjanya, tidak bisa merebut pasar. Chip Pentium unggulan Intel dirancang untuk aplikasi akuntansi berkinerja tinggi kesulitan dengan angka desimal.

Tetapi jenis kegagalan lain yang berlaku di dunia komputasi adalah FLOPS pengukuran, lama dipuji sebagai perbandingan yang cukup adil antara berbagai mesin, arsitektur, dan sistem.

FLOPS adalah ukuran Operasi Floating-point per Second. Sederhananya, itu adalah speedometer untuk sistem komputasi. Dan sudah tumbuh secara eksponensial selama beberapa dekade.

Jadi bagaimana jika saya mengatakan kepada Anda bahwa dalam beberapa tahun, Anda akan memiliki sistem yang duduk di meja Anda, atau di TV Anda, atau di telepon Anda, yang akan menghapus lantai superkomputer saat ini? Luar biasa? Saya orang gila? Lihatlah sejarah sebelum Anda menilai.

Superkomputer ke Supermarket

Intel i7 terbaru Haswell Jadi Apa Perbedaan Antara Intel Haswell dan CPU Ivy Bridge?Mencari komputer baru? Mereka yang berbelanja untuk laptop atau desktop baru yang didukung Intel perlu mengetahui perbedaan antara prosesor Intel generasi terakhir dan generasi terbaru. Baca lebih banyak Prosesor dapat melakukan tentang 177 miliar FLOPS (GFLOPS), yang lebih cepat daripada superkomputer tercepat di AS pada tahun 1994, itu Sandia National Labs XP / s140 dengan 3.680 core komputasi bekerja bersama.

PlayStation 4 dapat beroperasi di sekitar 1,8 Triliun FLOPS berkat kemampuannya yang canggih Arsitektur mikro sel, dan akan mengalahkan $ 55 juta ASCI Merah superkomputer yang memuncaki liga superkomputer di seluruh dunia pada tahun 1998, hampir 15 tahun sebelum PS4 dirilis.

IBM Sistem AI Watson IBM Mengungkap Revolusi "Brain on a Chip"Diumumkan minggu lalu melalui sebuah artikel di Science, "TrueNorth" adalah apa yang dikenal sebagai "chip neuromorfik" - sebuah chip komputer yang dirancang untuk meniru neuron biologis, untuk digunakan dalam sistem komputer cerdas seperti Watson. Baca lebih banyak memiliki (saat ini) operasi puncak 80 TFLOPS, dan itu sama sekali tidak dekat dengan membiarkannya masuk dalam daftar Top 500 superkomputer saat ini, dengan Chinese Tianhe-2 menuju Top 500 pada 3 kesempatan terakhir berturut-turut, dengan kinerja puncak 54,902 TFLOPS, atau hampir 55 Peta-FLOPS.

Pertanyaan besarnya adalah, di mana selanjutnya superkomputer ukuran desktop Teknologi Komputer Terbaru yang Harus Anda Lihat untuk PercayaLihatlah beberapa teknologi komputer terbaru yang siap mengubah dunia elektronik dan PC selama beberapa tahun ke depan. Baca lebih banyak akan datang dari Dan yang lebih penting, kapan kita mendapatkannya?

Bata Lain di Dinding Kekuasaan

Dalam sejarah baru-baru ini, kekuatan pendorong antara peningkatan kecepatan yang mengesankan ini adalah dalam ilmu material dan desain arsitektur; proses pembuatan skala nanometer yang lebih kecil berarti bahwa chip dapat lebih tipis, lebih cepat, dan membuang lebih sedikit energi dalam bentuk panas, yang membuatnya lebih murah untuk dijalankan.

Juga, dengan pengembangan arsitektur multi-inti selama akhir 2000-an, banyak 'prosesor' sekarang diperas ke dalam satu chip tunggal. Teknologi ini, dikombinasikan dengan semakin matangnya sistem komputasi terdistribusi, di mana banyak 'Komputer' dapat beroperasi sebagai satu mesin, berarti bahwa 500 Teratas selalu berkembang, hanya tentang menjaga langkah dengan Hukum Moore yang terkenal.

Namun demikian hukum fisika mulai menghalangi semua pertumbuhan inibahkan Intel khawatir tentang hal itu, dan banyak orang di seluruh dunia memburu hal berikutnya.

... dalam sekitar sepuluh tahun atau lebih, kita akan melihat runtuhnya Hukum Moore. Bahkan, sudah, kita melihat perlambatan Hukum Moore. Daya komputer tidak bisa mempertahankan kenaikan eksponensial yang cepat menggunakan teknologi silikon standar. - Dr. Michio Kaku – 2012

Masalah mendasar dengan desain pemrosesan saat ini adalah bahwa transistor dalam keadaan hidup (1) atau mati (0). Setiap kali a gerbang transistor ‘Membalik’, ia harus mengeluarkan sejumlah energi tertentu ke dalam bahan yang dibuat gerbang untuk membuat ‘flip’ tetap. Sebagai gerbang ini semakin kecil dan lebih kecil, rasio antara energi untuk menggunakan transistor dan energi untuk 'membalik' transistor menjadi lebih besar dan lebih besar, menciptakan pemanasan dan keandalan yang besar masalah. Sistem saat ini mendekati - dan dalam beberapa kasus melebihi - kepadatan panas mentah reaktor nuklir, dan bahan mulai gagal desainer mereka. Ini secara klasik disebut ‘Power Wall’.

Baru-baru ini, beberapa orang mulai berpikir berbeda tentang bagaimana melakukan perhitungan yang bermanfaat. Dua perusahaan khususnya telah menarik perhatian kami dalam hal bentuk canggih komputasi kuantum dan optik. Kanada Sistem D-Wave dan berbasis di Inggris Optalysys, Yang keduanya memiliki pendekatan yang sangat berbeda untuk set masalah yang sangat berbeda.

Saatnya Mengubah Musik

D-Wave mendapat banyak pers akhir-akhir ini, dengan kotak hitam mereka yang sangat dingin dengan spike interior cyberpunk, berisi chip telanjang yang penuh teka-teki dengan kekuatan yang sulit dibayangkan.

Pada dasarnya, sistem D2 mengambil pendekatan yang sama sekali berbeda untuk pemecahan masalah dengan secara efektif membuang buku aturan sebab-akibat. Jadi masalah apa yang dituju oleh Google / NASA / Lockheed Martin ini?

The Rambling Man

Secara historis, jika Anda ingin menyelesaikan Masalah NP-Hard atau Intermediate, di mana ada sejumlah besar kemungkinan solusi yang memiliki berbagai potensi, menggunakan ‘nilai’ pendekatan klasik tidak berfungsi. Ambil contoh masalah Travelling Salesman; diberikan N-kota, temukan jalur terpendek untuk mengunjungi semua kota sekaligus. Penting untuk dicatat bahwa TSP adalah faktor utama dalam banyak bidang seperti pembuatan microchip, logistik, dan bahkan pengurutan DNA,

Tetapi semua masalah ini bermuara pada proses yang tampaknya sederhana; Pilih satu titik untuk memulai, buat rute di sekitar N 'hal', ukur jarak, dan jika ada rute yang lebih pendek dari itu, buang rute yang dicoba dan lanjutkan ke yang berikutnya sampai tidak ada lagi rute ke memeriksa.

Ini terdengar mudah, dan untuk nilai-nilai kecil, itu adalah; untuk 3 kota ada 3 * 2 * 1 = 6 rute untuk diperiksa, untuk 7 kota ada 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, yang tidak terlalu buruk untuk ditangani oleh komputer. Ini adalah sebuah Faktorial berurutan, dan dapat dinyatakan sebagai "N!", jadi 5040 adalah 7 !.

Namun, saat Anda melangkah sedikit lebih jauh, ke 10 kota untuk dikunjungi, Anda perlu menguji lebih dari 3 Juta rute. Pada saat Anda mencapai 100, jumlah rute yang perlu Anda periksa adalah 9 diikuti oleh 157 digit. Satu-satunya cara untuk melihat fungsi-fungsi semacam ini adalah dengan menggunakan grafik logaritmik, di mana sumbu y dimulai pada 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3) ) dan seterusnya.

Angka-angka hanya menjadi terlalu besar untuk dapat memproses secara wajar pada mesin apa pun yang ada saat ini atau dapat ada menggunakan arsitektur komputasi klasik. Tetapi apa yang dilakukan D-Wave sangat berbeda.

Vesuvius Muncul

Chip Vesuvius dalam D2 menggunakan sekitar 500 ‘qubits‘Atau Bit Kuantum untuk melakukan perhitungan ini menggunakan metode yang disebut Annealing Kuantum. Alih-alih mengukur setiap rute pada suatu waktu, Vesuvius Qubits diatur ke status superposisi (tidak aktif atau tidak aktif, beroperasi bersama-sama sebagai semacam bidang potensial) dan serangkaian deskripsi aljabar yang semakin kompleks dari solusi (yaitu seri dari Hamiltonian deskripsi solusi, bukan solusi itu sendiri) diterapkan ke bidang superposisi.

Akibatnya, sistem ini menguji kesesuaian setiap solusi potensial secara bersamaan, seperti bola 'memutuskan' cara apa untuk turun bukit. Ketika superposisi dilonggarkan ke keadaan dasar, keadaan dasar qubit tersebut harus menggambarkan solusi optimal.

Banyak yang mempertanyakan berapa banyak keuntungan yang diberikan sistem D-Wave dibandingkan komputer konvensional. Dalam pengujian baru-baru ini terhadap platform terhadap Travelling Saleman Problem, yang memakan waktu 30 menit untuk komputer klasik, hanya butuh setengah detik pada Vesuvius.

Namun, untuk lebih jelasnya, ini tidak akan menjadi sistem tempat Anda bermain Doom. Beberapa komentator sedang berusaha bandingkan sistem yang sangat terspesialisasi ini dengan prosesor tujuan umum. Anda akan lebih baik membandingkan Ohio-kelas kapal selam dengan F35 Petir; metrik apa pun yang Anda pilih untuk satu begitu tidak pantas untuk yang lain sehingga tidak berguna.

D-Wave bekerja lebih cepat pada beberapa urutan besarnya untuk masalah spesifiknya dibandingkan dengan prosesor standar, dan FLOPS perkiraan berkisar dari 420 GFLOPS yang relatif mengesankan hingga 1,5 Peta-FLOPS yang mengejutkan (Menempatkannya dalam daftar 10 Komputer Super Besar pada tahun 2013 pada saat prototipe publik terakhir). Jika ada, perbedaan ini menyoroti awal dari akhir FLOPS sebagai pengukuran universal ketika diterapkan pada bidang masalah tertentu.

Bidang komputasi ini ditujukan untuk serangkaian masalah yang sangat spesifik (dan sangat menarik). Yang mengkhawatirkan, salah satu masalah dalam lingkup ini adalah kriptografi Cara Mengenkripsi Gmail, Outlook, dan Webmail Lainnya AndaAkun email memegang kunci untuk informasi pribadi Anda. Berikut cara mengenkripsi Gmail, Outlook.com, dan akun email Anda lainnya. Baca lebih banyak - khususnya Kriptografi Kunci Publik.

Untungnya implementasi D-Wave tampaknya fokus pada algoritma optimasi, dan D-Wave membuat beberapa keputusan desain (seperti struktur peering hierarkis pada chip) yang menunjukkan bahwa Anda tidak dapat menggunakan Vesuvius untuk dipecahkan Algoritma Shor, yang akan berpotensi membuka Internet dengan sangat buruk itu akan membuat Robert Redford bangga.

Matematika Laser

Perusahaan kedua dalam daftar kami adalah Optalysys. Perusahaan yang berbasis di Inggris ini mengambil komputasi dan mengubahnya dengan menggunakan superposisi cahaya analog untuk melakukan kelas komputasi tertentu menggunakan sifat cahaya itu sendiri. Video di bawah ini menunjukkan beberapa latar belakang dan dasar-dasar sistem Optalysys, yang disajikan oleh Prof. Heinz Wolff.

Ini agak lamban, tetapi pada dasarnya, ini adalah kotak yang mudah-mudahan suatu hari akan duduk di meja Anda dan memberikan dukungan perhitungan untuk simulasi, CAD / CAM dan pencitraan medis (dan mungkin, mungkin saja, komputer permainan). Seperti Vesuvius, tidak ada cara bahwa solusi Optalysys akan melakukan tugas-tugas komputasi arus utama, tetapi bukan itu yang dirancang untuk itu.

Cara yang berguna untuk memikirkan gaya pemrosesan optik ini adalah dengan menganggapnya seperti Unit Pemrosesan Grafis (GPU) fisik. GPU modern Mengenal Akselerator Grafis Anda Dalam Detail Yang Menyiksa Dengan GPU-Z [Windows]GPU, atau unit pemrosesan grafik, adalah bagian dari komputer Anda yang bertugas menangani gambar. Dengan kata lain, jika game berombak di komputer Anda atau tidak dapat menangani pengaturan kualitas sangat tinggi, ... Baca lebih banyak Ini menggunakan banyak prosesor streaming secara paralel, melakukan perhitungan yang sama pada data yang berbeda yang datang dari berbagai bidang memori. Arsitektur ini datang sebagai hasil alami dari cara grafik komputer dihasilkan, tetapi arsitektur paralel masif ini telah digunakan untuk segala sesuatu mulai dari perdagangan frekuensi tinggiuntuk Jaringan Saraf Tiruan.

Optalsys mengambil prinsip yang sama dan menerjemahkannya ke dalam media fisik; pemartisian data menjadi pemecah balok, aljabar linier menjadi gangguan kuantum, Fungsi gaya MapReduce menjadi sistem penyaringan optik. Dan semua fungsi ini beroperasi dalam waktu konstan, efektif sesaat,.

Perangkat prototipe awal menggunakan elemen grid 20Hz 500 × 500 untuk melakukan Fast Fourier Transformations (pada dasarnya, "frekuensi apa yang muncul dalam aliran input ini?") dan telah memberikan padanan yang kurang memuaskan dari 40 GFLOPS. Pengembang menargetkan sistem 340 GFLOPS oleh tahun depan, yang mempertimbangkan perkiraan konsumsi daya, akan menjadi skor yang mengesankan.

Jadi Di Mana Kotak Hitam Saya?

Itu sejarah komputasi Sejarah Singkat Komputer Yang Mengubah DuniaAnda dapat menghabiskan waktu bertahun-tahun mempelajari sejarah komputer. Ada berton-ton penemuan, berton-ton buku tentangnya - dan itu sebelum Anda mulai menunjuk ke ujung jari yang pasti terjadi ketika ... Baca lebih banyak menunjukkan kepada kita bahwa apa yang awalnya merupakan cadangan laboratorium penelitian dan lembaga pemerintah dengan cepat membuat jalan ke perangkat keras konsumen. Sayangnya, sejarah komputasi belum harus berurusan dengan keterbatasan hukum fisika.

Secara pribadi, saya tidak berpikir D-Wave dan Optalysys akan menjadi teknologi tepat yang kami miliki di meja kami dalam waktu 5-10 tahun. Anggaplah yang pertama dikenali "Jam pintar" diresmikan pada tahun 2000 dan gagal total; tetapi esensi dari teknologi berlanjut pada hari ini. Demikian juga, eksplorasi ini ke akselerator komputasi Quantum dan Optical mungkin akan berakhir sebagai catatan kaki di 'hal besar berikutnya'.

Ilmu material semakin mendekati komputer biologis, menggunakan struktur seperti DNA untuk melakukan matematika. Nanoteknologi dan 'Masalah yang Dapat Diprogram' mendekati titik itu daripada memproses 'data', materi itu sendiri akan mengandung, mewakili, dan memproses informasi.

Secara keseluruhan, ini adalah dunia baru yang berani bagi seorang ilmuwan komputasi. Menurut Anda kemana semua ini terjadi? Mari ngobrol di komentar!

Kredit foto:KL Intel Pentium A80501 oleh Konstantin Lanzet, Asci red - tflop4m oleh Pemerintah AS - Sandia National Laboratories, DWave D2 oleh The Vancouver Sun, DWave 128chip oleh D-Wave Systems, Inc., Traveling Salesman Problem oleh Randall Munroe (XKCD)