¿Cómo funcionan las computadoras ópticas y cuánticas?

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La historia de la computación está llena de flops.

los Manzana III tenía la desagradable costumbre de cocinarse en su concha deformada. los Atari Jaguar, una consola de juegos "innovadora" que tenía algunas afirmaciones espurias sobre su rendimiento, simplemente no podía captar el mercado. El chip Pentium insignia de Intel diseñado para aplicaciones de contabilidad de alto rendimiento tenía dificultad con números decimales.

Pero el otro tipo de fracaso que prevalece en el mundo de la informática es el FLOPS medición, aclamada durante mucho tiempo como una comparación razonablemente justa entre diferentes máquinas, arquitecturas y sistemas.

FLOPS es una medida de operaciones de punto flotante por segundo. En pocas palabras, es el velocímetro de un sistema informático. Y ha sido creciendo exponencialmente por décadas.

Entonces, ¿qué pasa si te digo que en unos años, tendrás un sistema en tu escritorio, en tu televisor o en tu teléfono, que limpiaría el piso de las supercomputadoras de hoy? ¿Increíble? Soy un loco? Echa un vistazo a la historia antes de juzgar.

Supercomputadora a Supermercado

Un reciente Intel i7 Haswell Entonces, ¿cuál es la diferencia entre las CPU Intel Haswell e Ivy Bridge?Buscando una nueva computadora? Quienes compren una nueva computadora portátil o computadora de escritorio con tecnología Intel deben conocer las diferencias entre la última y la última generación de procesadores Intel. Lee mas el procesador puede realizar aproximadamente 177 mil millones FLOPS (GFLOPS), que es más rápido que la supercomputadora más rápida de los EE. UU. En 1994, el Sandia National Labs XP / s140 con 3.680 núcleos informáticos trabajando juntos.

Una PlayStation 4 puede operar a alrededor de 1.8 Trillion FLOPS gracias a su avanzada Microarquitectura celulary habría triunfado $ 55 millones ASCI Red supercomputadora que encabezó la liga mundial de supercomputadoras en 1998, casi 15 años antes del lanzamiento de la PS4.

De IBM Watson AI System IBM revela revolucionario "Brain on a Chip"Anunciado la semana pasada a través de un artículo en Science, "TrueNorth" es lo que se conoce como un "chip neuromórfico": un chip de computadora diseñado para imitar neuronas biológicas, para uso en sistemas informáticos inteligentes como Watson Lee mas tiene un (actual) operación máxima 80 TFLOPS, y eso no está cerca de incluirlo en la lista de las 500 mejores computadoras de hoy en día, con el Tianhe-2 chino encabezando el Top 500 en las últimas 3 ocasiones consecutivas, con un rendimiento máximo de 54,902 TFLOPS, o casi 55 Peta-FLOPS.

La gran pregunta es, ¿dónde está el próximo supercomputadora de tamaño de escritorio La última tecnología informática que debes ver para creerEcha un vistazo a algunas de las últimas tecnologías informáticas que están preparadas para transformar el mundo de la electrónica y las PC en los próximos años. Lee mas va a venir? Y lo más importante, ¿cuándo lo conseguiremos?

Otro ladrillo en el muro de poder

En la historia reciente, las fuerzas impulsoras entre estas impresionantes ganancias en velocidad han estado en la ciencia de los materiales y el diseño de la arquitectura; Los procesos de fabricación a menor escala nanométrica significan que los chips pueden ser más delgados, más rápidos y arrojan menos energía en forma de calor, lo que los hace más baratos de operar.

Además, con el desarrollo de arquitecturas multinúcleo a finales de la década de 2000, muchos "procesadores" ahora están comprimidos en un solo chip. Esta tecnología, combinada con la madurez creciente de los sistemas de computación distribuida, donde muchos Las "computadoras" pueden funcionar como una sola máquina, lo que significa que el Top 500 siempre ha estado creciendo, solo para mantener ritmo con La famosa Ley de Moore.

sin embargo, el las leyes de la física comienzan a obstaculizar todo este crecimientoincluso Intel está preocupado por eso, y muchos en todo el mundo están buscando lo siguiente.

... dentro de unos diez años, veremos el colapso de la Ley de Moore. De hecho, ya vemos una desaceleración de la Ley de Moore. La potencia de la computadora simplemente no puede mantener su rápido aumento exponencial utilizando la tecnología de silicio estándar. - Dr. Michio Kaku – 2012

El problema fundamental con el diseño de procesamiento actual es que los transistores están activados (1) o desactivados (0). Cada vez que un puerta de transistor ‘Voltea’, tiene que expulsar una cierta cantidad de energía en el material del que está hecha la puerta para hacer que ese volteo ’se quede. A medida que estas puertas se hacen cada vez más pequeñas, la relación entre la energía para usar el transistor y la energía para "voltear" el transistor se hace más y más grande, creando un calentamiento y confiabilidad mayores problemas. Los sistemas actuales se están acercando, y en algunos casos superando, la densidad de calor bruto de los reactores nucleares, y los materiales están comenzando a fallar a sus diseñadores. Esto se llama clásicamente el Wall Power Wall ’.

Recientemente, algunos han comenzado a pensar de manera diferente sobre cómo realizar cálculos útiles. Dos empresas en particular nos han llamado la atención en términos de formas avanzadas de computación cuántica y óptica. canadiense Sistemas D-Wave y con sede en el Reino Unido Optalysys, quienes tienen enfoques extremadamente diferentes a conjuntos de problemas muy diferentes.

Hora de cambiar la música

D-Wave recibió mucha prensa últimamente, con su siniestra caja negra súper enfriada con una punta interior extremadamente ciberpunk, que contiene un enigmático chip desnudo con poderes difíciles de imaginar.

En esencia, el sistema D2 adopta un enfoque completamente diferente para la resolución de problemas al descartar efectivamente el libro de reglas de causa y efecto. Entonces, ¿a qué tipo de problemas apunta este gigante de Google / NASA / Lockheed Martin?

El hombre laberíntico

Históricamente, si quieres resolver un NP-Hard o problema intermedio, donde hay un número extremadamente alto de posibles soluciones que tienen un amplio rango de potencial, el uso de "valores" en el enfoque clásico simplemente no funciona. Tomemos, por ejemplo, el problema del vendedor ambulante; N-ciudades dadas, encuentre el camino más corto para visitar todas las ciudades una vez. Es importante tener en cuenta que el TSP es un factor importante en muchos campos, como la fabricación de microchips, la logística e incluso la secuencia de ADN,

Pero todos estos problemas se reducen a un proceso aparentemente simple; Elija un punto para comenzar, genere una ruta alrededor de N 'cosas', mida la distancia y, si hay una existente ruta que es más corta, descarte la ruta intentada y continúe con la siguiente hasta que no haya más rutas para cheque.

Esto suena fácil, y para valores pequeños, lo es; para 3 ciudades hay 3 * 2 * 1 = 6 rutas para verificar, para 7 ciudades hay 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, lo cual no es demasiado malo para una computadora. Esto es un Factorial secuencia, y se puede expresar como "N!", entonces 5040 es 7 !.

Sin embargo, para cuando vaya un poco más lejos, a 10 ciudades para visitar, debe probar más de 3 millones de rutas. Para cuando llegue a 100, el número de rutas que debe verificar es 9 seguido de 157 dígitos La única forma de ver este tipo de funciones es usando un gráfico logarítmico, donde el eje y comienza en 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3 ) y así.

Los números se vuelven demasiado grandes para poder procesar razonablemente en cualquier máquina que exista hoy o pueda existir utilizando arquitecturas informáticas clásicas. Pero lo que está haciendo D-Wave es muy diferente.

Vesubio emerge

El chip del Vesubio en el D2 usa alrededor de 500 ‘qubits‘O bits cuánticos para realizar estos cálculos utilizando un método llamado Recocido Cuántico. En lugar de medir cada ruta a la vez, los Vesubio Qubits se ponen en un estado de superposición (ni encendido ni apagado, operando juntos como una especie de campo potencial) y una serie de descripciones algebraicas cada vez más complejas de la solución (es decir, una serie de Hamiltoniano las descripciones de la solución, no una solución en sí) se aplican al campo de superposición.

En efecto, el sistema está probando la idoneidad de cada solución potencial simultáneamente, como una pelota "decidiendo" qué camino tomar cuesta abajo. Cuando la superposición se relaja en un estado fundamental, ese estado fundamental de los qubits debería describir la solución óptima.

Muchos han cuestionado cuánta ventaja ofrece el sistema D-Wave sobre una computadora convencional. En una prueba reciente de la plataforma contra un problema típico de Saleman itinerante, que tomó 30 minutos para una computadora clásica, tomó solo medio segundo en el Vesubio.

Sin embargo, para ser claros, este nunca será un sistema en el que juegues Doom. Algunos comentaristas están tratando de compare este sistema altamente especializado con un procesador de uso general. Sería mejor comparar un Ohioclase submarina con el F35 Lightning; cualquier métrica que seleccione para una es tan inapropiada para la otra como inútil.

El D-Wave registra varios órdenes de magnitud más rápido para sus problemas específicos en comparación con un procesador estándar y FLOPS las estimaciones van desde un relativamente impresionante 420 GFLOPS a un alucinante 1.5 Peta-FLOPS (colocándolo en la lista de las 10 mejores supercomputadoras en 2013 en el momento del último prototipo público). En todo caso, esta disparidad resalta el principio del fin de FLOPS como una medida universal cuando se aplica a áreas problemáticas específicas.

Esta área de computación está dirigida a un conjunto de problemas muy específico (y muy interesante). Es preocupante que uno de los problemas dentro de esta esfera es criptografía Cómo cifrar su Gmail, Outlook y otro correo webLas cuentas de correo electrónico contienen las claves de su información personal. Aquí le mostramos cómo encriptar su cuenta de Gmail, Outlook.com y otras cuentas de correo. Lee mas - específicamente Criptografía de clave pública.

Afortunadamente, la implementación de D-Wave parece centrada en algoritmos de optimización, y D-Wave tomó algunas decisiones de diseño (como la estructura jerárquica de pares en el chip) que indica que no puedes usar el Vesubio para resolver Algoritmo de Shor, que potencialmente desbloquearía Internet tan mal Robert Redford estaría orgulloso.

Matemáticas láser

La segunda compañía en nuestra lista es Optalysys. Esta compañía con sede en el Reino Unido toma la computación y la pone de cabeza usando superposición analógica de luz para realizar ciertas clases de computación utilizando la naturaleza de la luz misma. El siguiente video muestra algunos de los antecedentes y fundamentos del sistema Optalysys, presentado por Profe. Heinz Wolff.

Es un poco pesado, pero en esencia, es una caja que con suerte algún día se sentará en su escritorio y Proporcionar soporte de cómputo para simulaciones, CAD / CAM e imágenes médicas (y tal vez, solo tal vez, computadora juegos). Al igual que el Vesubio, no hay forma de que la solución Optalysys realice tareas informáticas convencionales, pero para eso no está diseñada.

Una forma útil de pensar sobre este estilo de procesamiento óptico es pensarlo como una Unidad de procesamiento de gráficos (GPU) física. GPU moderna Conozca su acelerador de gráficos con detalles insoportables con GPU-Z [Windows]La GPU, o unidad de procesamiento de gráficos, es la parte de su computadora encargada de manejar los gráficos. En otras palabras, si los juegos están entrecortados en su computadora o no pueden manejar configuraciones de muy alta calidad, ... Lee mas Usamos muchos procesadores de transmisión en paralelo, realizando el mismo cálculo en diferentes datos provenientes de diferentes áreas de la memoria. Esta arquitectura surgió como resultado natural de la forma en que se generan los gráficos por computadora, pero esta arquitectura masivamente paralela se ha utilizado para todo, desde comercio de alta frecuencia, a Redes neuronales artificiales.

Optalsys toma principios similares y los traduce a un medio físico; la partición de datos se convierte en división de haces, el álgebra lineal se convierte interferencia cuántica, Las funciones de estilo MapReduce se convierten en sistemas de filtrado óptico. Y todas estas funciones operan en tiempo constante, efectivamente instantáneo.

El dispositivo prototipo inicial utiliza una cuadrícula de elementos de 500 × 500 de 20Hz para realizar transformaciones rápidas de Fourier (básicamente, "¿qué frecuencias aparecen en esta secuencia de entrada?") y ha proporcionado un equivalente decepcionante de 40 GFLOPS. Los desarrolladores apuntan a un sistema 340 GFLOPS por el próximo año, que teniendo en cuenta el consumo de energía estimado, sería una puntuación impresionante.

Entonces, ¿dónde está mi caja negra?

los historia de la computación Una breve historia de las computadoras que cambiaron el mundoPuede pasar años profundizando en la historia de la computadora. Hay toneladas de inventos, toneladas de libros sobre ellos, y eso es antes de comenzar a señalar con el dedo que inevitablemente ocurre cuando ... Lee mas nos muestra que lo que inicialmente es la reserva de los laboratorios de investigación y las agencias gubernamentales se abre paso rápidamente en el hardware del consumidor. Desafortunadamente, la historia de la informática aún no ha tenido que lidiar con las limitaciones de las leyes de la física.

Personalmente, no creo que D-Wave y Optalysys sean las tecnologías exactas que tenemos en nuestros escritorios dentro de 5 a 10 años. Tenga en cuenta que la primera reconocible "Reloj inteligente" fue presentado en 2000 y fracasó miserablemente; Pero la esencia de la tecnología continúa en la actualidad. Del mismo modo, estas exploraciones en los aceleradores de computación cuántica y óptica probablemente terminarán como notas al pie en "la próxima gran cosa".

La ciencia de los materiales está cada vez más cerca de computadoras biológicas, utilizando estructuras similares al ADN para realizar las matemáticas. Nanotecnología y "Materia programable" se está acercando al punto en lugar de procesar "datos", el material mismo contendrá, representará y procesará información.

Con todo, es un mundo nuevo y valiente para un científico computacional. ¿A dónde crees que va todo esto? ¡Hablemos al respecto en los comentarios!

Créditos fotográficos:KL Intel Pentium A80501 por Konstantin Lanzet, Asci rojo - tflop4m por el gobierno de los Estados Unidos - Sandia National Laboratories, DWave D2 por The Vancouver Sun, DWave 128chip por D-Wave Systems, Inc., Problema de vendedor ambulante por Randall Munroe (XKCD)