Comment fonctionnent les ordinateurs optiques et quantiques?

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L'histoire de l'informatique regorge de flops.

le Apple III avait la mauvaise habitude de se cuisiner dans sa coquille déformée. le Atari Jaguar, une console de jeux «innovante» qui avait de fausses affirmations sur ses performances, ne pouvait tout simplement pas conquérir le marché. La puce Pentium phare d'Intel conçue pour les applications de comptabilité hautes performances difficulté avec les nombres décimaux.

Mais l'autre type de flop qui prévaut dans le monde de l'informatique est le FLOPS mesure, longtemps considérée comme une comparaison raisonnablement juste entre différentes machines, architectures et systèmes.

FLOPS est une mesure des opérations en virgule flottante par seconde. En termes simples, c'est l'indicateur de vitesse pour un système informatique. Et ça a été croît de façon exponentielle depuis des décennies.

Et si je vous disais que dans quelques années, vous aurez un système sur votre bureau, sur votre téléviseur ou dans votre téléphone, qui essuierait le sol des superordinateurs d'aujourd'hui? Incroyable? Je suis un fou? Jetez un œil à l'histoire avant de juger.

Supercalculateur au supermarché

Un Intel i7 récent Haswell Alors, quelle est la différence entre les processeurs Intel Haswell et Ivy Bridge?Vous cherchez un nouvel ordinateur? Ceux qui recherchent un nouvel ordinateur portable ou de bureau Intel doivent connaître les différences entre la dernière et la dernière génération de processeurs Intel. Lire la suite le processeur peut effectuer environ 177 milliards FLOPS (GFLOPS), qui est plus rapide que le supercalculateur le plus rapide des États-Unis en 1994, le Sandia National Labs XP / s140 avec 3 680 cœurs de calcul travaillant ensemble.

Une PlayStation 4 peut fonctionner à environ 1,8 billion de FLOPS grâce à sa technologie avancée Micro-architecture cellulaire, et aurait emporté la 55 millions de dollars ASCI Red superordinateur qui a dominé la ligue mondiale des superordinateurs en 1998, près de 15 ans avant la sortie de la PS4.

IBM Watson AI System IBM révèle un «cerveau sur puce» révolutionnaireAnnoncé la semaine dernière via un article dans Science, "TrueNorth" est ce qu'on appelle une "puce neuromorphique" - un puce informatique conçue pour imiter les neurones biologiques, pour une utilisation dans des systèmes informatiques intelligents comme Watson. Lire la suite a un (actuel) fonctionnement de pointe 80 TFLOPS, et ce n'est pas près de le faire figurer dans le Top 500 des superordinateurs d'aujourd'hui, avec le Chinois Tianhe-2 à la tête du Top 500 au cours des 3 dernières occasions consécutives, avec une performance de 54,902 TFLOPS, soit près de 55 Peta-FLOPS.

La grande question est, où est la prochaine supercalculateur de bureau La dernière technologie informatique que vous devez voir pour croireDécouvrez quelques-unes des dernières technologies informatiques qui devraient transformer le monde de l'électronique et des PC au cours des prochaines années. Lire la suite va venir? Et plus important encore, quand l'obtenons-nous?

Une autre brique dans le mur de puissance

Dans l'histoire récente, les forces motrices entre ces gains impressionnants de vitesse ont été dans la science des matériaux et la conception de l'architecture; des processus de fabrication à plus petite échelle nanométrique signifient que les puces peuvent être plus minces, plus rapides et décharger moins d'énergie sous forme de chaleur, ce qui les rend moins coûteuses à utiliser.

De plus, avec le développement d’architectures multicœurs à la fin des années 2000, de nombreux «processeurs» sont désormais regroupés sur une seule puce. Cette technologie, combinée à la maturité croissante des systèmes de calcul distribués, où de nombreux Les «ordinateurs» peuvent fonctionner comme une seule machine, ce qui signifie que le Top 500 a toujours grandi, rythme avec La célèbre loi de Moore.

Cependant, le les lois de la physique commencent à entraver toute cette croissance, même Intel s'en inquiète, et beaucoup à travers le monde sont à la recherche de la prochaine chose.

… Dans une dizaine d'années environ, nous verrons l'effondrement de la loi de Moore. En fait, nous constatons déjà un ralentissement de la loi de Moore. La puissance de l'ordinateur ne peut tout simplement pas maintenir sa croissance exponentielle rapide en utilisant la technologie standard du silicium. - Dr. Michio Kaku – 2012

Le problème fondamental avec la conception de traitement actuelle est que les transistors sont soit passants (1) soit bloqués (0). Chaque fois qu'un grille de transistor «Flips», il doit expulser une certaine quantité d'énergie dans le matériau dont la porte est faite pour que ce «flip» reste. Comme ces portes deviennent de plus en plus petites, le rapport entre l'énergie nécessaire pour utiliser le transistor et le l'énergie pour «basculer» le transistor devient de plus en plus grande, créant un chauffage et une fiabilité majeurs problèmes. Les systèmes actuels approchent - et dans certains cas dépassent - la densité thermique brute des réacteurs nucléaires, et les matériaux commencent à faire défaut à leurs concepteurs. Ceci est classiquement appelé «Power Wall».

Récemment, certains ont commencé à penser différemment à la façon d'effectuer des calculs utiles. Deux entreprises en particulier ont retenu notre attention en termes de formes avancées d'informatique quantique et optique. canadien Systèmes D-Wave et basé au Royaume-Uni Optalysys, qui ont tous deux des approches extrêmement différentes pour des ensembles de problèmes très différents.

Il est temps de changer la musique

D-Wave a reçu beaucoup de presse ces derniers temps, avec sa boîte noire sinistre super-refroidie avec un pic intérieur extrêmement cyberpunk, contenant une puce nue énigmatique avec des pouvoirs difficiles à imaginer.

En substance, le système D2 adopte une approche complètement différente de la résolution de problèmes en jetant efficacement le livre de règles de cause à effet. Alors, quel genre de problèmes ce monstre pris en charge par Google / NASA / Lockheed Martin vise-t-il?

The Rambling Man

Historiquement, si vous voulez résoudre un Problème NP-Difficile ou Intermédiaire, où il existe un nombre extrêmement élevé de solutions possibles qui ont un large éventail de potentiel, l'utilisation de "valeurs" l'approche classique ne fonctionne tout simplement pas. Prenons par exemple le problème du voyageur de commerce; étant donné N-villes, trouvez le chemin le plus court pour visiter toutes les villes une fois. Il est important de noter que le TSP est un facteur majeur dans de nombreux domaines comme la fabrication de puces électroniques, la logistique et même le séquençage d'ADN,

Mais tous ces problèmes se résument à un processus apparemment simple; Choisissez un point de départ, générez un itinéraire autour de N «choses», mesurez la distance et s’il existe un itinéraire qui est plus court que celui-ci, rejetez l'itinéraire tenté et passez au suivant jusqu'à ce qu'il n'y ait plus d'itinéraires vers vérifier.

Cela semble facile, et pour les petites valeurs, c'est; pour 3 villes, il y a 3 * 2 * 1 = 6 itinéraires à vérifier, pour 7 villes, il y a 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, ce qui n'est pas trop mal pour un ordinateur. C'est un Factorielle et peut être exprimée par «N!», donc 5040 est 7 !.

Cependant, au moment où vous allez un peu plus loin, dans 10 villes à visiter, vous devez tester plus de 3 millions d'itinéraires. Au moment où vous arrivez à 100, le nombre d'itinéraires que vous devez vérifier est de 9 suivi de 157 chiffres. La seule façon de voir ce genre de fonctions est d'utiliser un graphe logarithmique, où l'axe y commence à 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3 ) etc.

Les chiffres deviennent trop gros pour pouvoir traiter raisonnablement sur n'importe quelle machine qui existe aujourd'hui ou qui peut exister en utilisant des architectures informatiques classiques. Mais ce que fait D-Wave est très différent.

Le Vésuve émerge

La puce du Vésuve dans le D2 utilise environ 500 ’qubits«Ou Quantum Bits pour effectuer ces calculs en utilisant une méthode appelée Recuit quantique. Plutôt que de mesurer chaque route à la fois, les Qubits du Vésuve sont placés dans un état de superposition (ni allumé ni éteint, ensemble comme une sorte de champ potentiel) et une série de descriptions algébriques de plus en plus complexes de la solution (c'est-à-dire une série de Hamiltonien descriptions de la solution, pas une solution elle-même) sont appliquées au champ de superposition.

En effet, le système teste simultanément la pertinence de chaque solution potentielle, comme une balle «décidant» de la façon de descendre une pente. Lorsque la superposition est relâchée dans un état fondamental, cet état fondamental des qubits doit décrire la solution optimale.

Beaucoup se sont interrogés sur l'avantage du système D-Wave par rapport à un ordinateur conventionnel. Dans un test récent de la plate-forme contre un problème typique de Saleman itinérant, qui a pris 30 minutes pour un ordinateur classique, n'a pris qu'une demi-seconde sur le Vésuve.

Cependant, pour être clair, cela ne sera jamais un système sur lequel vous jouerez à Doom. Certains commentateurs tentent de comparer ce système hautement spécialisé à un processeur à usage général. Vous feriez mieux de comparer un Ohio- un sous-marin de classe avec F35 Lightning; toute métrique que vous sélectionnez pour l'un est si inappropriée pour l'autre qu'elle est inutile.

Le D-Wave pointe à plusieurs ordres de grandeur plus rapidement pour ses problèmes spécifiques par rapport à un processeur standard, et FLOPS les estimations vont de un 420 GFLOPS relativement impressionnant à un 1.5 Peta-FLOPS époustouflant (le plaçant dans la liste des 10 meilleurs supercalculateurs en 2013 lors du dernier prototype public). En fait, cette disparité met en évidence le début de la fin de FLOPS en tant que mesure universelle lorsqu'elle est appliquée à des zones à problème spécifiques.

Ce domaine de l'informatique vise un ensemble de problèmes très spécifique (et très intéressant). De façon inquiétante, l'un des problèmes dans ce domaine est la cryptographie Comment chiffrer votre Gmail, Outlook et autres WebmailLes comptes de messagerie détiennent les clés de vos informations personnelles. Voici comment chiffrer vos comptes Gmail, Outlook.com et autres comptes de messagerie. Lire la suite - spécifiquement la cryptographie à clé publique.

Heureusement, l'implémentation de D-Wave semble axée sur les algorithmes d'optimisation, et D-Wave a pris certaines décisions de conception (telles que la structure hiérarchique d'appairage sur la puce) qui indiquer que vous ne pouviez pas utiliser le Vésuve à résoudre Algorithme de Shor, ce qui déverrouillerait si mal Internet ça rendrait Robert Redford fier.

Laser Maths

La deuxième entreprise de notre liste est Optalysys. Cette entreprise basée au Royaume-Uni prend l'informatique et tourne la tête en utilisant la superposition analogique de lumière pour effectuer certaines classes de calcul en utilisant la nature de la lumière elle-même. La vidéo ci-dessous montre certains des antécédents et des principes fondamentaux du système Optalysys, présentés par Prof. Heinz Wolff.

C'est un peu onduleux, mais en substance, c'est une boîte qui, espérons-le, pourra un jour s'asseoir sur votre bureau et fournir un support de calcul pour les simulations, la CAO / FAO et l'imagerie médicale (et peut-être, juste peut-être, l'ordinateur Jeux). Comme le Vésuve, il est impossible que la solution Optalysys exécute des tâches informatiques courantes, mais ce n'est pas ce pour quoi elle est conçue.

Un moyen utile de penser à ce style de traitement optique est de le considérer comme une unité de traitement graphique (GPU) physique. GPU moderne Apprenez à connaître votre accélérateur graphique dans les moindres détails avec GPU-Z [Windows]Le GPU, ou unité de traitement graphique, est la partie de votre ordinateur chargée de gérer les graphiques. En d'autres termes, si les jeux sont saccadés sur votre ordinateur ou qu'il ne peut pas gérer des paramètres de très haute qualité, ... Lire la suite Utilise de nombreux processeurs de streaming en parallèle, effectuant le même calcul sur différentes données provenant de différentes zones de mémoire. Cette architecture est le résultat naturel de la façon dont les graphiques informatiques sont générés, mais cette architecture massivement parallèle a été utilisée pour tout, de trading haute fréquence, à Réseaux de neurones artificiels.

Optalsys prend des principes similaires et les traduit en un support physique; le partitionnement des données devient un fractionnement du faisceau, l'algèbre linéaire devient interférence quantique, Les fonctions de style MapReduce deviennent des systèmes de filtrage optique. Et toutes ces fonctions fonctionnent en temps constant, effectivement instantané.

Le prototype initial utilise une grille de 20 Hz 500 × 500 éléments pour effectuer des transformations de Fourier rapides (en gros, "quelles fréquences apparaissent dans ce flux d'entrée?") et a livré un équivalent décevant de 40 GFLOPS. Les développeurs visent un système 340 GFLOPS en l'année prochaine, qui compte tenu de la consommation électrique estimée, serait un score impressionnant.

Alors, où est ma boîte noire?

le histoire de l'informatique Une brève histoire des ordinateurs qui ont changé le mondeVous pouvez passer des années à vous plonger dans l'histoire de l'ordinateur. Il y a des tonnes d'inventions, des tonnes de livres à leur sujet - et c'est avant de commencer à pointer du doigt qui se produit inévitablement quand ... Lire la suite nous montre que ce qui est initialement la réserve des laboratoires de recherche et des agences gouvernementales fait rapidement son chemin dans le matériel grand public. Malheureusement, l'histoire de l'informatique n'a pas encore dû faire face aux limites des lois de la physique.

Personnellement, je ne pense pas que D-Wave et Optalysys seront les technologies exactes que nous aurons sur nos bureaux dans 5 à 10 ans. Considérez que le premier reconnaissable "Montre intelligente" a été dévoilé en 2000 et a lamentablement échoué; mais l'essence de la technologie se poursuit aujourd'hui. De même, ces explorations dans les accélérateurs informatiques quantiques et optiques finiront probablement en notes de bas de page dans «la prochaine grande chose».

La science des matériaux se rapproche ordinateurs biologiques, en utilisant des structures de type ADN pour effectuer des calculs. Nanotechnologie et «Question programmable» approche du point où, plutôt que de traiter des «données», le matériel lui-même contiendra, représentera et traitera des informations.

Dans l’ensemble, c’est un nouveau monde courageux pour un scientifique en informatique. Où pensez-vous que tout cela va? Discutons-en dans les commentaires!

Crédits photos:KL Intel Pentium A80501 par Konstantin Lanzet, Asci rouge - tflop4m par le gouvernement américain - Sandia National Laboratories, DWave D2 par The Vancouver Sun, DWave 128chip par D-Wave Systems, Inc., Problème de voyageur de commerce par Randall Munroe (XKCD)