Какими могут быть вычислительные системы будущего

    Рассказываем, что нового может появиться в дата-центрах и не только в них.



    / фото jesse orrico Unsplash

    Считается, что кремниевые транзисторы приближаются к своему технологическому пределу. В прошлый раз мы рассказывали о материалах, которые могут заменить кремний и обсуждали альтернативные подходы к разработке транзисторов. Сегодня говорим о концепциях, способных трансформировать принципы работы традиционных вычислительных систем: квантовых машинах, нейроморфных чипах и компьютерах на основе ДНК.

    ДНК-компьютеры


    Это — система, которая использует вычислительные возможности молекул ДНК. Нити ДНК состоят из четырех азотистых оснований: цитозина, аденина, гуанина и тимина. Связывая их в определенной последовательности, можно кодировать информацию. Для изменения данных используют специальные ферменты, которые с помощью химических реакций достраивают цепочки ДНК, а также разрезают и укорачивают их. Такие реакции можно проводить в разных частях молекулы одновременно, что позволяет выполнять параллельные вычисления.

    Первый компьютер на базе ДНК представили в 1994 году. Профессор молекулярной биологии и компьютерных наук Леонард Адлеман (Leonard Adleman) использовал несколько пробирок с миллиардами молекул ДНК, чтобы попытаться решить задачу коммивояжера для графа с семью вершинами. Его вершины и ребра Адлеман обозначил фрагментами ДНК с двадцатью азотистыми основаниями, а затем применил метод полимеразной цепной реакции (ПЦР).

    Недостатком компьютера Адлемана была его «узконаправленность». Он был заточен под решение одной задачи и не мог выполнять другие. С тех пор ситуация изменилась — в конце марта ученые из университета Мейнут и Калифорнийского технологического института представили компьютер, данные в который загружаются в виде последовательностей ДНК и могут быть перепрограммированы.

    Система способна открыть дорогу новому типу вычислительных систем, осталось решить проблему с медленным вводом и выводом данных (процесс секвенирования довольно дорогостоящий и занимает длительное время).

    Несмотря на сложности, эксперты говорят, что в перспективе ДНК-компьютеры размером с современные десктопы обойдут по производительности суперкомпьютеры. Они смогут найти применение в дата-центрах, занимающихся обработкой больших сводов данных.

    Нейроморфные процессоры


    Термин «нейроморфный» обозначает, что архитектура чипа основывается на принципах работы человеческого мозга. Такие процессоры эмулируют работу миллионов нейронов с отростками, которые называются аксонами и дендритами. Первые отвечают за передачу информации, а вторые — за её восприятие. Нейроны соединены между собой синапсами — специальными контактами, по которым передаются электрические сигналы (нервные импульсы).

    О создании нейроморфных систем говорили еще в 1990-х. Но всерьез разработками в этой области занялись после 2000-х. Специалисты из IBM Research приняли участие в проекте SyNAPSE, целью которого была разработка компьютера с архитектурой, отличной от архитектуры фон Неймана. В рамках этого проекта компания спроектировала чип TrueNorth. Он эмулирует работу миллиона нейронов и 256 миллионов синапсов.

    Над нейроморфными процессорами трудятся не только в IBM. Компания Intel с 2017 года разрабатывает чип Loihi. В его составе 130 тысяч искусственных нейронов и 130 млн синапсов. Год назад компания завершила разработку прототипа по 14-нм техпроцессу.

    Нейроморфные устройства позволяют ускорить обучение нейросетей. Таким чипам, в отличие от классических процессоров, не нужно регулярно обращаться к регистрам или памяти за данными. Вся информация постоянно хранится в искусственных нейронах. Эта особенность позволит обучать нейронные сети локально (без подключения хранилищу со сводом тестовых данных).

    Ожидается, что нейроморфные процессоры найдут применение в смартфонах и устройствах интернета вещей. Но пока о масштабном внедрении технологии в пользовательские устройства говорить не приходится.

    Квантовые машины


    Основу квантовых компьютеров составляют кубиты. Их работа основывается на принципах квантовой физики — запутанности и суперпозиции. Суперпозиция позволяет кубиту находиться в состоянии нуля и единицы одновременно. Запутанность — это явление, при котором состояния нескольких кубитов оказываются взаимосвязанными. Такой подход позволяет проводить операции с нулем и единицей одновременно.


    / фото IBM Research CC BY-NA

    Как результат — квантовые компьютеры решают ряд задач гораздо быстрее традиционных систем. Примерами могут быть построение математических моделей в финансовой, химической и медицинской областях, а также криптографические операции.

    На сегодняшний день развитием квантовых вычислений занимается относительно небольшое число компаний. Среди них можно выделить IBM с их 50-кубитным квантовым компьютером, Intel с 49-кубитным и InoQ, которая тестирует 79-кубитное устройство. Также в этой области работают Google, Rigetti и D-Wave.

    О массовом внедрении квантовых компьютеров пока говорить рано. Даже если не брать в расчет высокую стоимость аппаратов, они имеют серьезные технологические ограничения.

    В частности, квантовые машины работают при температуре близкой к абсолютному нулю. Поэтому устанавливаются такие аппараты только в специализированных лабораториях. Это вынужденная мера для защиты хрупких кубитов, способных поддерживать суперпозицию на протяжении всего нескольких секунд (любые температурные колебания приводят к их декогеренции).

    Хотя в начале года IBM представили квантовый компьютер, способный работать за пределами лаборатории с жестко контролируемой средой — например, в локальных дата-центрах компаний. Но купить аппарат пока нельзя, можно лишь арендовать его мощности через облачную платформу. Компания обещает, что в будущем этот компьютер сможет приобрести любой желающий, но когда это произойдет — пока неизвестно.



    Материалы из нашего Telegram-канала:

    ИТ-ГРАД
    206,86
    vmware iaas provider
    Поделиться публикацией

    Комментарии 15

      +3
      вода-вода-вода
        0
        В частности, квантовые машины работают


        Интересно, есть ли хоть одна статья на русском, в которой внятно объяснялся принцип работы квантового компьютера.
        Ввод-вывод данных, сам процесс вычислений, методы интерпретации результатов…
          0
          Чем вас English не устраивает? Всё лучшее на нём. У Seth Lloyd есть книга на русском — «Программируя Вселенную».
            0
            Чем вас English не устраивает?


            Я из другого поколения, знание English — весьма посредственное.
            Да и ресурс этот не англоязычный.

            С квантовой физикой как таковой — немного знаком, интересует именно то, что написал выше.
            Для общего образования, скажем так.

            есть книга на русском — «Программируя Вселенную».


            «В пространство из 221-й плотных, часто захватывающих и иногда раздражающих страниц втиснуты… компьютерная логика, термодинамика, теория хаоса, запутанность, квантовая механика, космология, сознание, пол и происхождение жизни» (с)

            Что-то не похоже на внятное объяснение принципов работы квантового компьютера.
            Но все равно посмотрю, спасибо!
              –1
              Хотите проще простого? Квантовые компьютеры — аналоговые. Их преимущество — в том, что они аналогово воспроизводят цифровые процессы. Не как обычные аналоговые машины, которые воспроизводят математику физикой, а именно цифровые процессы, то есть ЦАП на входе и АЦП на выходе не нужны. Как и все аналоговые машины, вычисляют они бесконечно быстро, время теряется только на передачу и съём цифровых результатов.
              Очень грубо, конечно, но в принципе — так.
                0
                а именно цифровые процессы, то есть ЦАП на входе и АЦП на выходе не нужны.


                Ну, каким-то образом исходные данные надо вводить в квантовый компьютер, и эти данные изначально будут в цифровом формате.
                И результаты вычислений надо выводить в цифровом формате.
                  0
                  Я несколько коряво, согласен, хотел подчеркнуть, что квантовые компьютеры, конечно, не просто продление аналоговых. Квантовые законы — по сути, сами по себе цифровые. Так что и на входе, и на выходе идёт преобразование цифры в цифру. А не в, скажем, уровень напряжения, как в аналоговых машинах.
                    +1

                    А квантовокомпьютерные алгоритмы по сути сами по себе вероятностны (в алг.Шора (Саймона) и алг.Гровера менее или около половины полностью корректных запусков квантовой машины выдают полезный результат).
                    Булевость кубита (и его вероятность) проявляется при измерении, когда измеряем по какому-то базису, состояние кубита сколлапсирует либо в одно либо в другое значение (напр. у NMR кубитов есть некая ось "principal quantization axis"). Не все физические реализации кубитов имеют только два четко различимых возможных состояния (SCQC Charge qubit "state of the qubit is determined by the number of Cooper pairs which have tunneled across the junction").


                    Можно ли назвать цифровой машину, в которой каждая (2-х кубитовая) логическая операция выполняется с точностью в 99,5% (т.е. в среднем 1 операция из 200 не сработает)? В классических цифровых устройствах вероятность сбоев заявляют на уровнях 10^(-12)...10^(-15).
                    А операции чтения из квантовых регистров ныне показывают сбои в 6% случаев, декогеренция регистра происходит за время, сравнимое с временем работы сотен логических операций (https://arxiv.org/pdf/1807.02500.pdf).


                    Exchan-ge, Совсем просто принцип работы квантового компьютера — есть набор из N кубитов (квантовый регистр), в них можно записать некий булевый вектор длины N (классическое состояние) — инициализация. Затем над ними начинают выполнять операции (унитарные), в ходе которых меняется квантовое состояние системы (кубиты запутываются и затем обрабатываются). Такое состояние описывается вектором из 2^N комплексных амплитуд (и эти амплитуды не целые и не булевые, а плавающие), при этом квадрат i-й амплитуды будет соответствовать вероятности коллапса данного регистра в N-битное классическое состояние равное i. Бонус квантового регистра — выполняя над ним одну операцию меняются сразу все амплитуды (квантовый параллелизм), как будто бы мы выполнили операцию над каждым из 2^N состояний. Антибонусы квантового регистра — невозможно стереть один кубит (строят обратимые схемы), и невозможно считать все 2^N амплитуд (при абсолютно любой попытке чтения (измерения) мы получим какое-то классическое состояние с вероятностью пропорционально квадрату амплитуды этого n-битного состояния). Известные алгоритмы для кв.комп строятся почти полностью на обратимых операциях (не нужно стирать) и создают целевое состояние, где малое число амплитуд будет очень велико.


                    Подробнее принцип кв.комп правильно расписан в https://habr.com/ru/post/321292/ (devpony "Есть две функции" 6 февраля 2017) даже с матаном и Блохо-сферами и многомерными гильбертовыми пространствами. И полным описанием кв.алг. Дойча—Йожи. ("Квантовый алгоритм включает в себя: 1. Инициализацию квантового регистра; 2. Набор унитарных преобразований над ним; 3. Измерение результата.")

                      0
                      Можно ли назвать цифровой машину, в которой каждая (2-х кубитовая) логическая операция выполняется с точностью в 99,5%
                      Конечно, можно. Дело же не в точности, а в сути. Аналоговая машина вообще выдаёт некое аналоговое значение, то же напряжение. Поймите разницу между «число, хотя и неточное» и «аналоговое, вообще не цифровое, значение».
                      Так что, в принципе всё ровно так, как я сразу и написал:
                      — сходство с аналоговыми, потому что никаких собственно вычислений не производится, работают физические законы.
                      — отличие от аналоговых в том, что законы квантовые, то есть цифровые по сути (да, с некоторой вероятностью)
                        0

                        Квантовый закон в виде квантового вентиля изменяет комплексные числа — амплитуды. Пример — Гейт Адамара из https://habr.com/ru/post/321292/ — на входе были амплитуды 0.0 и 1.0, стали 1/sqrt(2) и -1/sqrt(2). (или поворот амплитуды Pauli X Y Z, или Phase shift) Это цифровая операция или аналоговая? Вычисления производятся, во многих реализациях квантовый вентиль это вполне себе управляемая снаружи операция. Вполне можно составить АЛУ (по правилам обратимой булевой логики) — https://pdfs.semanticscholar.org/4428/5bd58548b37d59fd156fdcc89a140ba392ca.pdf

                          0
                          Вполне можно составить АЛУ (по правилам обратимой булевой логики)
                          во-о-от. В этом и отличие от аналоговых машин. Возможно, вопросы и возражения связаны с тем, что из нынешнего поколения никто с аналоговыми и не сталкивался :-)
          +2
          Хотя в начале года IBM представили квантовый компьютер, способный работать при комнатной температуре.

          При этом представленный квантовый компьютер IBM состоит из Холодильника (работающего при комнатной температуре) и квантового сверхпроводникового чипа, работающего при температурах около 0.02 Кельвина (для их достижения холодильник работает около суток):
          https://newsroom.ibm.com/2019-01-08-IBM-Unveils-Worlds-First-Integrated-Quantum-Computing-System-for-Commercial-Use "IBM Q System One is comprised of… Cryogenic engineering that delivers a continuous cold and isolated quantum environment;… system's cryostat"


          https://www.research.ibm.com/ibm-q/system-one/
          внутри холодильника
          https://www.research.ibm.com/ibm-q/learn/what-is-quantum-computing/# — Look inside a quantum computer, схема 1, схема 2.


          Облако для аренды — https://quantumexperience.ng.bluemix.net/qx/experience, sdk https://qiskit.org/ https://github.com/Qiskit/qiskit-tutorials

            0
            В теории такая машина может стать первой, которую можно будет вынести за пределы лаборатории и проводить квантовые вычисления локально. Если не брать в расчет машины D-Wave, работающие по методу квантового отжига. Аппаратная часть IBM автоматически калибруется в зависимости от условий внешней среды. Ну и выглядит сам аппарат стильно :)
            0
            а ни кто не задумывался что наш микро мир и есть те самые
            ДНК-компьютеры
            только намного более совершенные
              +1
              Про какие ДНК-компьютеры речь и в чем же они совершенны?
              В общем случае, asic эффективнее универсальной системы.

            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

            Самое читаемое