Ο ορίζοντας του πρώτου - και όχι μόνο…

Από τη μία πλευρά, θα πρέπει να μας βοηθήσουν να νικήσουμε τον καρκίνο, να προβλέψουμε με ακρίβεια τον καιρό και να κυριαρχήσουμε στην πυρηνική σύντηξη. Από την άλλη πλευρά, υπάρχουν φόβοι ότι θα προκαλέσουν παγκόσμια καταστροφή ή θα υποδουλώσουν την ανθρωπότητα. Προς το παρόν, ωστόσο, τα τέρατα των υπολογιστών εξακολουθούν να αδυνατούν να δημιουργήσουν μεγάλο καλό και μεγάλο κακό ταυτόχρονα.

Στη δεκαετία του '60, οι πιο αποδοτικοί υπολογιστές είχαν τη δύναμη megaflops (εκατομμύρια πράξεις κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο). Ο πρώτος υπολογιστής με υπολογιστική ισχύ πάνω από 1 GFLOPS (gigaflops) ήταν Κρέι 2, που παρήχθη από την Cray Research το 1985. Πρώτο μοντέλο με υπολογιστική ισχύ πάνω από 1 TFLOPS (teraflops) ήταν ASCI Red, που δημιουργήθηκε από την Intel το 1997. Η ισχύς έφτασε το 1 PFLOPS (πετάφλοπ) Roadrunner, κυκλοφόρησε από την IBM το 2008.

Το τρέχον αρχείο υπολογιστικής ισχύος ανήκει στην κινεζική Sunway TaihuLight και είναι 9 PFLOPS.

Αν και, όπως μπορείτε να δείτε, τα πιο ισχυρά μηχανήματα δεν έχουν φτάσει ακόμη εκατοντάδες petaflops, όλο και πιο συχνά συστήματα exascaleστην οποία πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η ισχύς εξαφλοψαχ (EFLOPS), δηλ. περίπου περισσότερες από 1018 λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο. Ωστόσο, τέτοια σχέδια βρίσκονται ακόμη μόνο στο στάδιο των έργων διαφορετικού βαθμού επεξεργασίας.

ΜΕΙΩΣΕΙΣ (, πράξεις κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο) είναι μια μονάδα υπολογιστικής ισχύος που χρησιμοποιείται κυρίως σε επιστημονικές εφαρμογές. Είναι πιο ευέλικτο από τη μονάδα MIPS που χρησιμοποιήθηκε στο παρελθόν, η οποία σημαίνει οδηγίες επεξεργαστή ανά δευτερόλεπτο. Το Flops δεν είναι μονάδα SI, αλλά μπορεί να ερμηνευθεί ως μονάδα 1/s.

Χρειάζεστε exascale για τον καρκίνο

Ένα exaflop, ή χίλια petaflops, είναι περισσότερο από όλους τους XNUMX κορυφαίους υπερυπολογιστές μαζί. Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι η νέα γενιά μηχανών με τέτοια ισχύ θα φέρει καινοτομίες σε διάφορους τομείς.

Η υπολογιστική ισχύς Exascale σε συνδυασμό με τις ταχέως εξελισσόμενες τεχνολογίες μηχανικής εκμάθησης θα πρέπει να βοηθήσουν π.χ. σπάσει τον κώδικα του καρκίνου. Ο όγκος των δεδομένων που πρέπει να έχουν οι γιατροί για τη διάγνωση και τη θεραπεία του καρκίνου είναι τόσο τεράστιος που είναι δύσκολο για τους απλούς υπολογιστές να αντεπεξέλθουν στην εργασία. Σε μια τυπική βιοψία ενός όγκου, λαμβάνονται περισσότερες από 8 εκατομμύρια μετρήσεις, κατά τις οποίες οι γιατροί αναλύουν τη συμπεριφορά του όγκου, την ανταπόκρισή του στη φαρμακολογική θεραπεία και την επίδρασή του στο σώμα του ασθενούς. Αυτός είναι ένας πραγματικός ωκεανός δεδομένων.

είπε ο Ρικ Στίβενς του εργαστηρίου Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE). -

Συνδυάζοντας την ιατρική έρευνα με την υπολογιστική ισχύ, οι επιστήμονες εργάζονται πάνω Σύστημα νευρωνικών δικτύων CANDLE (). Αυτό μας επιτρέπει να προβλέψουμε και να αναπτύξουμε ένα σχέδιο θεραπείας προσαρμοσμένο στις ατομικές ανάγκες κάθε ασθενούς. Αυτό θα βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν τη μοριακή βάση των βασικών πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων, να αναπτύξουν προγνωστικά μοντέλα απόκρισης στα φάρμακα και να προτείνουν βέλτιστες στρατηγικές θεραπείας. Ο Argonne πιστεύει ότι τα συστήματα exascale θα είναι σε θέση να εκτελέσουν μια εφαρμογή CANDLE 50 έως 100 φορές πιο γρήγορα από τις πιο ισχυρές υπερμηχανές που είναι γνωστές σήμερα.

Ως εκ τούτου, περιμένουμε με ανυπομονησία την εμφάνιση υπερυπολογιστών exascale. Ωστόσο, οι πρώτες εκδόσεις δεν θα εμφανιστούν απαραίτητα στις Ηνωμένες Πολιτείες. Φυσικά, οι ΗΠΑ είναι μέρος της κούρσας για τη δημιουργία τους, και η τοπική κυβέρνηση στο έργο γνωστό ως Aurora συνεργάζεται με την AMD, την IBM, την Intel και την Nvidia, προσπαθώντας να ξεπεράσει τους ξένους ανταγωνιστές. Ωστόσο, αυτό δεν αναμένεται να συμβεί πριν από το 2021. Εν τω μεταξύ, τον Ιανουάριο του 2017, Κινέζοι ειδικοί ανακοίνωσαν τη δημιουργία ενός πρωτοτύπου exascale. Ένα πλήρως λειτουργικό μοντέλο αυτού του είδους υπολογιστικής μονάδας είναι − Tianhe-3 - ωστόσο, είναι απίθανο να είναι έτοιμο τα επόμενα χρόνια.

Οι Κινέζοι κρατιούνται γερά

Γεγονός είναι ότι από το 2013, οι κινεζικές εξελίξεις βρίσκονται στην κορυφή της λίστας με τους πιο ισχυρούς υπολογιστές στον κόσμο. Κυριάρχησε για αρκετά χρόνια Tianhe-2και τώρα η παλάμη ανήκει στους αναφερόμενους Sunway TaihuLight. Αυτά τα δύο πιο ισχυρά μηχανήματα στο Μέσο Βασίλειο πιστεύεται ότι είναι πολύ πιο ισχυρά από όλους τους είκοσι έναν υπερυπολογιστές του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.

Οι Αμερικανοί επιστήμονες, φυσικά, θέλουν να ανακτήσουν την ηγετική θέση που κατείχαν πριν από πέντε χρόνια και εργάζονται σε ένα σύστημα που θα τους επιτρέψει να το κάνουν αυτό. Κατασκευάζεται στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Τενεσί. Κορυφή (2), ένας υπερυπολογιστής που έχει προγραμματιστεί να τεθεί σε λειτουργία αργότερα φέτος. Αυτό ξεπερνά τη δύναμη του Sunway TaihuLight. Θα χρησιμοποιηθεί για τη δοκιμή και την ανάπτυξη νέων, ισχυρότερων και ελαφρύτερων υλικών, για τη μοντελοποίηση του εσωτερικού της Γης χρησιμοποιώντας ακουστικά κύματα και για την υποστήριξη έργων αστροφυσικής που εξερευνούν την προέλευση του σύμπαντος.

2. Χωροταξικό του υπερυπολογιστή Summit

Στο προαναφερθέν Εθνικό Εργαστήριο Argonne, οι επιστήμονες σχεδιάζουν σύντομα να κατασκευάσουν μια ακόμα πιο γρήγορη συσκευή. Γνωστό μέχρι τώρα ως A21Η απόδοση αναμένεται να φτάσει τα 200 petaflops.

Στον αγώνα υπερυπολογιστών συμμετέχει και η Ιαπωνία. Αν και πρόσφατα επισκιάστηκε κάπως από τον ανταγωνισμό ΗΠΑ-Κίνας, είναι αυτή η χώρα που σχεδιάζει να ξεκινήσει Σύστημα ABC (), προσφέροντας 130 πετάφλοπς ισχύος. Οι Ιάπωνες ελπίζουν ότι ένας τέτοιος υπερυπολογιστής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη AI (τεχνητής νοημοσύνης) ή βαθιάς μάθησης.

Εν τω μεταξύ, το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο μόλις αποφάσισε να κατασκευάσει έναν υπερυπολογιστή της ΕΕ για ένα δισεκατομμύριο ευρώ. Αυτό το υπολογιστικό τέρας θα ξεκινήσει τις εργασίες του για τα ερευνητικά κέντρα της ηπείρου μας στο τέλος του 2022 και του 2023. Το αυτοκίνητο θα κατασκευαστεί εντός Έργο EuroGPKκαι η κατασκευή του θα χρηματοδοτηθεί από τα κράτη μέλη – έτσι και η Πολωνία θα συμμετάσχει σε αυτό το έργο. Η προβλεπόμενη ισχύς του αναφέρεται συνήθως ως "προ-εξακλίμακα".

Μέχρι στιγμής, σύμφωνα με την κατάταξη του 2017, από τους πεντακόσιους ταχύτερους υπερυπολογιστές στον κόσμο, η Κίνα έχει 202 τέτοιες μηχανές (40%) και η Αμερική ελέγχει 144 (29%).

Η Κίνα χρησιμοποιεί επίσης το 35% της παγκόσμιας υπολογιστικής ισχύος, σε σύγκριση με το 30% στις ΗΠΑ. Οι επόμενες χώρες με τους περισσότερους υπερυπολογιστές στη λίστα είναι η Ιαπωνία (35 συστήματα), η Γερμανία (20), η Γαλλία (18) και το Ηνωμένο Βασίλειο (15). Αξίζει να σημειωθεί ότι, ανεξάρτητα από τη χώρα προέλευσης, και οι πεντακόσιοι από τους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές χρησιμοποιούν διαφορετικές εκδόσεις Linux...

Θα το σχεδιάσουν μόνοι τους

Οι υπερυπολογιστές είναι ήδη ένα πολύτιμο εργαλείο που υποστηρίζει τις βιομηχανίες της επιστήμης και της τεχνολογίας. Επιτρέπουν σε ερευνητές και μηχανικούς να κάνουν σταθερή πρόοδο (και μερικές φορές ακόμη και τεράστια άλματα προς τα εμπρός) σε τομείς όπως η βιολογία, η πρόγνωση του καιρού και του κλίματος, η αστροφυσική και τα πυρηνικά όπλα.

Τα υπόλοιπα εξαρτώνται από τη δύναμή τους. Τις επόμενες δεκαετίες, η χρήση υπερυπολογιστών θα μπορούσε να αλλάξει σημαντικά την οικονομική, στρατιωτική και γεωπολιτική κατάσταση των χωρών εκείνων που έχουν πρόσβαση σε αυτό το είδος υποδομής αιχμής.

Η πρόοδος σε αυτό το θέμα είναι τόσο γρήγορη που ο σχεδιασμός νέων γενιών μικροεπεξεργαστών έχει ήδη γίνει πολύ περίπλοκος ακόμη και για πολλούς ανθρώπινους πόρους. Για το λόγο αυτό, το προηγμένο λογισμικό υπολογιστών και οι υπερυπολογιστές διαδραματίζουν ολοένα και περισσότερο πρωταγωνιστικό ρόλο στην ανάπτυξη υπολογιστών, συμπεριλαμβανομένων αυτών με το πρόθεμα «super».

3. Ιαπωνικός υπερυπολογιστής

Οι φαρμακευτικές εταιρείες θα μπορούν σύντομα να λειτουργούν πλήρως χάρη στις υπολογιστικές υπερδυνάμεις επεξεργασία ενός τεράστιου αριθμού ανθρώπινων γονιδιωμάτων, ζώα και φυτά που θα βοηθήσουν στη δημιουργία νέων φαρμάκων και θεραπειών για διάφορες ασθένειες.

Ένας άλλος λόγος (στην πραγματικότητα ένας από τους κύριους) για τον οποίο οι κυβερνήσεις επενδύουν τόσα πολλά στην ανάπτυξη υπερυπολογιστών. Πιο αποτελεσματικά οχήματα θα βοηθήσουν τους μελλοντικούς στρατιωτικούς ηγέτες να αναπτύξουν σαφείς στρατηγικές μάχης σε οποιοδήποτε περιβάλλον μάχης, να επιτρέψουν την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών οπλικών συστημάτων και επίσης να υποστηρίξουν τις αρχές επιβολής του νόμου και τις υπηρεσίες πληροφοριών στον εντοπισμό πιθανών απειλών εκ των προτέρων.

Δεν υπάρχει αρκετή δύναμη για την προσομοίωση του εγκεφάλου

Οι νέοι υπερυπολογιστές θα πρέπει να βοηθήσουν στην αποκρυπτογράφηση του φυσικού υπερυπολογιστή που είναι γνωστός από καιρό σε εμάς - του ανθρώπινου εγκεφάλου.

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων ανέπτυξε πρόσφατα έναν αλγόριθμο που αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό νέο βήμα προς τη μοντελοποίηση των νευρωνικών συνδέσεων του εγκεφάλου. Νέος ΜΗ-αλγόριθμος, που περιγράφεται σε ένα έγγραφο ανοιχτής πρόσβασης που δημοσιεύτηκε στο Frontiers in Neuroinformatics, αναμένεται να προσομοιώσει τους 100 δισεκατομμύρια διασυνδεδεμένους νευρώνες του ανθρώπινου εγκεφάλου σε υπερυπολογιστές. Στην εργασία συμμετείχαν επιστήμονες από το γερμανικό ερευνητικό κέντρο Jülich, το Νορβηγικό Πανεπιστήμιο Επιστημών της Ζωής, το Πανεπιστήμιο του Άαχεν, το Ιαπωνικό Ινστιτούτο RIKEN και το Βασιλικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας KTH στη Στοκχόλμη.

Από το 2014, οι υπερυπολογιστές RIKEN και JUQUEEN στο Jülich Supercomputing Center στη Γερμανία εκτελούν προσομοιώσεις νευρωνικών δικτύων μεγάλης κλίμακας, προσομοιώνοντας τις συνδέσεις περίπου 1% των νευρώνων στον ανθρώπινο εγκέφαλο. Γιατί μόνο τόσα πολλά; Μπορούν οι υπερυπολογιστές να προσομοιώσουν ολόκληρο τον εγκέφαλο;

Η Susanna Kunkel από τη σουηδική εταιρεία KTH εξηγεί.

Κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, το δυναμικό δράσης ενός νευρώνα (μικρές ηλεκτρικές ώσεις) θα πρέπει να σταλεί και στα 100 άτομα περίπου. μικροί υπολογιστές που ονομάζονται κόμβοι, ο καθένας εξοπλισμένος με έναν αριθμό επεξεργαστών που εκτελούν τον πραγματικό υπολογισμό. Κάθε κόμβος ελέγχει ποια από αυτά τα ερεθίσματα ανήκουν στους εικονικούς νευρώνες που υπάρχουν σε αυτόν τον κόμβο.

4. Μοντελοποίηση εγκεφαλικών συνδέσεων νευρώνων, δηλ. είμαστε μόλις στην αρχή του ταξιδιού μας (1%)

Προφανώς, η ποσότητα της μνήμης του υπολογιστή που απαιτείται από τους επεξεργαστές για αυτά τα επιπλέον bit ανά νευρώνα αυξάνεται με το μέγεθος του νευρωνικού δικτύου. Για να προχωρήσουμε πέρα ​​από την προσομοίωση 1% ολόκληρου του ανθρώπινου εγκεφάλου (4) θα χρειαζόταν εκατό φορές περισσότερη μνήμη από αυτό που είναι διαθέσιμο σε όλους τους υπερυπολογιστές σήμερα. Επομένως, θα ήταν δυνατό να μιλήσουμε για την απόκτηση μιας προσομοίωσης ολόκληρου του εγκεφάλου μόνο στο πλαίσιο των μελλοντικών υπερυπολογιστών exascale. Εδώ πρέπει να λειτουργήσει ο αλγόριθμος NEST επόμενης γενιάς.

TOP 5 υπερυπολογιστές στον κόσμο

1. Sunway TaihuLight – Ένας υπερυπολογιστής 93 PFLOPS που κυκλοφόρησε το 2016 στο Wuxi της Κίνας. Από τον Ιούνιο του 2016, βρίσκεται στην κορυφή της λίστας TOP500 των υπερυπολογιστών με την υψηλότερη υπολογιστική ισχύ στον κόσμο.

2. Tianhe-2 (Milky Way-2) είναι ένας υπερυπολογιστής με υπολογιστική ισχύ 33,86 PFLOPS που κατασκευάστηκε από τη NUDT () στην Κίνα. Από τον Ιούνιο του 2013

μέχρι τον Ιούνιο του 2016, ήταν ο ταχύτερος υπερυπολογιστής στον κόσμο.

3. Piz Daint - ένα σχέδιο που αναπτύχθηκε από την Cray, που εγκαταστάθηκε στο Εθνικό Κέντρο Υπερυπολογιστών της Ελβετίας (). Πρόσφατα αναβαθμίστηκε - οι επιταχυντές Nvidia Tesla K20X αντικαταστάθηκαν με νέους, Tesla P100, οι οποίοι επέτρεψαν την αύξηση της υπολογιστικής ισχύος από 2017 σε 9,8 PFLOPS το καλοκαίρι του 19,6.

4. Γκιόκου είναι ένας υπερυπολογιστής που αναπτύχθηκε από την ExaScaler και την PEZY Computing. Βρίσκεται στην Ιαπωνική Υπηρεσία για τη Θαλάσσια Επιστήμη και Τεχνολογία (JAMSTEC) του Ινστιτούτου Γεωεπιστημών της Γιοκοχάμα. στον ίδιο όροφο με τον προσομοιωτή Γης. Ισχύς: 19,14 PFLOPs.

5. Τιτάνας είναι ένας υπερυπολογιστής 17,59 PFLOPS που κατασκευάζεται από την Cray Inc. και ξεκίνησε τον Οκτώβριο του 2012 στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στις Ηνωμένες Πολιτείες. Από τον Νοέμβριο του 2012 έως τον Ιούνιο του 2013, ο Titan ήταν ο ταχύτερος υπερυπολογιστής στον κόσμο. Αυτή τη στιγμή βρίσκεται στην πέμπτη θέση, αλλά εξακολουθεί να είναι ο ταχύτερος υπερυπολογιστής στις ΗΠΑ.

Συναγωνίζονται επίσης για την υπεροχή στο κβαντικό

Η IBM πιστεύει ότι τα επόμενα πέντε χρόνια, όχι υπερυπολογιστές που βασίζονται σε παραδοσιακά τσιπ πυριτίου, αλλά . Σύμφωνα με τους ερευνητές της εταιρείας, η βιομηχανία μόλις αρχίζει να κατανοεί πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι κβαντικοί υπολογιστές. Σε μόλις πέντε χρόνια, οι μηχανικοί αναμένεται να ανακαλύψουν τις πρώτες μεγάλες εφαρμογές για αυτά τα μηχανήματα.

Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν μια υπολογιστική μονάδα που ονομάζεται ένα πήχη. Οι συμβατικοί ημιαγωγοί αντιπροσωπεύουν πληροφορίες ως ακολουθίες 1 και 0, αλλά τα qubit εμφανίζουν κβαντικές ιδιότητες και μπορούν ταυτόχρονα να υπολογίζουν ως 1 και 0. Αυτό σημαίνει ότι δύο qubits μπορούν ταυτόχρονα να αντιπροσωπεύουν τις ακολουθίες 1-0, 1-1, 0-1. ., 0-0. Η υπολογιστική ισχύς αυξάνεται εκθετικά με κάθε qubit, επομένως θεωρητικά ένας κβαντικός υπολογιστής με μόλις 50 qubits θα μπορούσε να έχει μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύ από τους ισχυρότερους υπερυπολογιστές του κόσμου.

Η D-Wave Systems πουλά ήδη έναν κβαντικό υπολογιστή, από τον οποίο λένε ότι υπάρχουν 2 από αυτούς. qubits. Ωστόσο Αντίγραφα D-WavΤα ε(5) είναι αμφιλεγόμενα. Αν και ορισμένοι ερευνητές τα έχουν χρησιμοποιήσει καλά, δεν έχουν ξεπεράσει τους κλασικούς υπολογιστές και είναι χρήσιμοι μόνο για ορισμένες κατηγορίες προβλημάτων βελτιστοποίησης.

5. Κβαντικοί Υπολογιστές D-Wave

Πριν από λίγους μήνες, το Quantum AI Lab της Google παρουσίασε έναν νέο κβαντικό επεξεργαστή 72 qubit που ονομάζεται κώνοι με τρίχες (6). Θα μπορούσε σύντομα να επιτύχει «κβαντική υπεροχή», ξεπερνώντας έναν κλασικό υπερυπολογιστή, τουλάχιστον όταν πρόκειται για την επίλυση ορισμένων προβλημάτων. Όταν ένας κβαντικός επεξεργαστής εμφανίζει αρκετά χαμηλό ποσοστό σφάλματος κατά τη λειτουργία, μπορεί να είναι πιο αποτελεσματικός από έναν κλασικό υπερυπολογιστή για μια καλά καθορισμένη εργασία πληροφορικής.

6. Κβαντικός επεξεργαστής Bristlecone 72 qubit

Ο επόμενος στη σειρά ήταν ο επεξεργαστής Google, γιατί τον Ιανουάριο, για παράδειγμα, η Intel ανακοίνωσε το δικό της κβαντικό σύστημα 49 qubit και νωρίτερα η έκδοση των 50 qubit παρουσιάστηκε από την IBM. τσιπ intel, Loihi, είναι καινοτόμο και με άλλους τρόπους. Είναι το πρώτο «νευρομορφικό» ολοκληρωμένο κύκλωμα που έχει σχεδιαστεί για να μιμείται το πώς μαθαίνει και κατανοεί ο ανθρώπινος εγκέφαλος. Είναι «πλήρως λειτουργικό» και θα είναι διαθέσιμο σε ερευνητικούς εταίρους αργότερα φέτος.

Ωστόσο, αυτή είναι μόνο η αρχή, γιατί για να μπορέσεις να αντιμετωπίσεις τα τέρατα πυριτίου, χρειάζεσαι z εκατομμύρια qubits. Μια ομάδα επιστημόνων από το Ολλανδικό Τεχνικό Πανεπιστήμιο στο Ντελφτ ελπίζει ότι ο τρόπος για να επιτευχθεί τέτοια κλίμακα είναι η χρήση πυριτίου σε κβαντικούς υπολογιστές, επειδή τα μέλη του έχουν βρει μια λύση να χρησιμοποιήσουν πυρίτιο για να δημιουργήσουν έναν προγραμματιζόμενο κβαντικό επεξεργαστή.

Στη μελέτη τους, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, η ολλανδική ομάδα έλεγξε το σπιν ενός μόνο ηλεκτρονίου χρησιμοποιώντας ενέργεια μικροκυμάτων. Στο πυρίτιο, το ηλεκτρόνιο θα περιστρέφεται πάνω-κάτω ταυτόχρονα, κρατώντας το αποτελεσματικά στη θέση του. Μόλις αυτό επιτεύχθηκε, η ομάδα συνέδεσε δύο ηλεκτρόνια μεταξύ τους και τα προγραμμάτισε να εκτελούν κβαντικούς αλγόριθμους.

Κατάφερε να δημιουργήσει με βάση το πυρίτιο κβαντικός επεξεργαστής δύο bit.

Ο Δρ Τομ Γουάτσον, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης, εξήγησε στο BBC. Εάν ο Watson και η ομάδα του καταφέρουν να συντήξουν ακόμη περισσότερα ηλεκτρόνια, θα μπορούσε να οδηγήσει σε εξέγερση επεξεργαστές qubitΑυτό θα μας φέρει ένα βήμα πιο κοντά στους κβαντικούς υπολογιστές του μέλλοντος.

- Όποιος κατασκευάσει έναν πλήρως λειτουργικό κβαντικό υπολογιστή θα κυβερνήσει τον κόσμο Ο Manas Mukherjee από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης και κύριος ερευνητής στο Εθνικό Κέντρο Κβαντικής Τεχνολογίας είπε πρόσφατα σε μια συνέντευξη. Ο αγώνας μεταξύ των μεγαλύτερων εταιρειών τεχνολογίας και ερευνητικών εργαστηρίων επικεντρώνεται αυτή τη στιγμή στα λεγόμενα κβαντική υπεροχή, το σημείο στο οποίο ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να εκτελέσει υπολογισμούς πέρα ​​από οτιδήποτε μπορούν να προσφέρουν οι πιο προηγμένοι υπολογιστές σήμερα.

Τα παραδείγματα των επιτευγμάτων της Google, της IBM και της Intel υποδεικνύουν ότι εταιρείες από τις Ηνωμένες Πολιτείες (και επομένως το κράτος) κυριαρχούν σε αυτόν τον τομέα. Ωστόσο, μόλις πρόσφατα, ο κινεζικός ιστότοπος Alibaba Cloud κυκλοφόρησε μια πλατφόρμα υπολογιστικού νέφους που βασίζεται σε έναν επεξεργαστή 11 qubit που επιτρέπει στους επιστήμονες να δοκιμάσουν νέους κβαντικούς αλγόριθμους. Αυτό σημαίνει ότι η Κίνα επίσης δεν καλύπτει τα αχλάδια της με στάχτη στον τομέα των μπλοκ κβαντικών υπολογιστών.

Ωστόσο, οι προσπάθειες για την κατασκευή κβαντικών υπερυπολογιστών δεν δημιουργούν μόνο ενθουσιασμό για νέες δυνατότητες, αλλά προκαλούν και διαμάχες.

Πριν από λίγους μήνες, κατά τη διάρκεια του Διεθνούς Συνεδρίου για τις Κβαντικές Τεχνολογίες στη Μόσχα, ο Alexander Lvovsky (7) από το Ρωσικό Κβαντικό Κέντρο, ο οποίος είναι επίσης καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Κάλγκαρι στον Καναδά, είπε ότι οι κβαντικοί υπολογιστές εργαλείο καταστροφήςχωρίς να δημιουργεί.

7. Καθηγητής Alexander Lvovsky

Τι εννοούσε; Πρώτα απ 'όλα, η ψηφιακή ασφάλεια. Επί του παρόντος, όλες οι ευαίσθητες ψηφιακές πληροφορίες που μεταδίδονται μέσω του Διαδικτύου είναι κρυπτογραφημένες για την προστασία του απορρήτου των ενδιαφερομένων. Έχουμε ήδη δει περιπτώσεις όπου χάκερ μπόρεσαν να υποκλέψουν αυτά τα δεδομένα σπάζοντας την κρυπτογράφηση.

Σύμφωνα με τον Lvov, η εμφάνιση ενός κβαντικού υπολογιστή απλώς θα διευκολύνει το έργο για τους εγκληματίες του κυβερνοχώρου. Κανένα από τα γνωστά σήμερα εργαλεία κρυπτογράφησης δεν μπορεί να προστατευτεί από την υπολογιστική ισχύ ενός πραγματικού κβαντικού υπολογιστή.

Ιατρικά αρχεία, οικονομικές πληροφορίες, ακόμη και τα μυστικά των κυβερνήσεων και των στρατιωτικών οργανισμών θα ήταν άμεσα διαθέσιμα, πράγμα που θα σήμαινε, όπως σημειώνει ο Lvovsky, ότι η νέα τεχνολογία θα μπορούσε να απειλήσει ολόκληρη την παγκόσμια τάξη πραγμάτων. Άλλοι ειδικοί πιστεύουν ότι οι φόβοι των Ρώσων είναι αβάσιμοι, καθώς η δημιουργία ενός πραγματικού κβαντικού υπερυπολογιστή θα επιτρέψει επίσης έναρξη της κβαντικής κρυπτογραφίας, θεωρείται άφθαρτο.

Μια άλλη προσέγγιση

Εκτός από την παραδοσιακή τεχνολογία υπολογιστών και την ανάπτυξη κβαντικών συστημάτων, διάφορα κέντρα εργάζονται σε άλλες μεθόδους για την κατασκευή υπερυπολογιστών του μέλλοντος.

Το αμερικανικό πρακτορείο DARPA χρηματοδοτεί έξι κέντρα για εναλλακτικές λύσεις σχεδιασμού υπολογιστών. Η αρχιτεκτονική που χρησιμοποιείται στα σύγχρονα μηχανήματα ονομάζεται συμβατικά αρχιτεκτονική von Neumannω, είναι ήδη εβδομήντα χρονών. Η αμυντική υποστήριξη για πανεπιστημιακούς ερευνητές στοχεύει στην ανάπτυξη μιας πιο έξυπνης προσέγγισης για την επεξεργασία μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων από ποτέ.

Buffering και Parallel Computing Ακολουθούν μερικά παραδείγματα των νέων τεχνικών πάνω στις οποίες εργάζονται αυτές οι ομάδες. Αλλο ΕΑΒ (), το οποίο καθιστά δυνατή την απλούστευση της ανάπτυξης εφαρμογών μετατρέποντας στοιχεία CPU και μνήμης με μονάδες σε ένα συγκρότημα, αντί να αντιμετωπίζετε προβλήματα σύνδεσής τους στη μητρική πλακέτα.

Πέρυσι, μια ομάδα ερευνητών από το Ηνωμένο Βασίλειο και τη Ρωσία απέδειξε με επιτυχία ότι ο τύπος "Μαγική σκόνη"από τα οποία αποτελούνται φως και ύλη - τελικά ανώτερη σε «απόδοση» ακόμη και από τους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές.

Επιστήμονες από τα βρετανικά πανεπιστήμια του Cambridge, του Southampton και του Cardiff και του Ρωσικού Ινστιτούτου Skolkovo χρησιμοποίησαν κβαντικά σωματίδια γνωστά ως του πολάριτονπου μπορεί να οριστεί ως κάτι μεταξύ φωτός και ύλης. Αυτή είναι μια εντελώς νέα προσέγγιση στον υπολογιστή. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση ενός νέου τύπου υπολογιστή, ικανού να λύνει επί του παρόντος δυσεπίλυτα ερωτήματα - σε διάφορους τομείς όπως η βιολογία, τα οικονομικά και τα διαστημικά ταξίδια. Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature Materials.

Να θυμάστε ότι οι σημερινοί υπερυπολογιστές μπορούν να χειριστούν μόνο ένα μικρό ποσοστό προβλημάτων. Ακόμη και ένας υποθετικός κβαντικός υπολογιστής, αν τελικά κατασκευαστεί, θα παρείχε στην καλύτερη περίπτωση μια τετραγωνική επιτάχυνση για την επίλυση των πιο περίπλοκων προβλημάτων. Εν τω μεταξύ, τα πολαριτόνια που δημιουργούν τη «νεραϊδόσκονη» δημιουργούνται με την ενεργοποίηση στρωμάτων ατόμων γαλλίου, αρσενικού, ινδίου και αλουμινίου με ακτίνες λέιζερ.

Τα ηλεκτρόνια σε αυτά τα στρώματα απορροφούν και εκπέμπουν φως συγκεκριμένου χρώματος. Τα πολάρια είναι δέκα χιλιάδες φορές ελαφρύτερα από τα ηλεκτρόνια και μπορούν να φτάσουν σε επαρκή πυκνότητα για να δημιουργήσουν μια νέα κατάσταση της ύλης γνωστή ως Συμπύκνωμα Bose-Einstein (8). Οι κβαντικές φάσεις των πολαριτονίων σε αυτό συγχρονίζονται και σχηματίζουν ένα ενιαίο μακροσκοπικό κβαντικό αντικείμενο που μπορεί να ανιχνευθεί με μετρήσεις φωτοφωταύγειας.

8. Γράφημα που δείχνει το συμπύκνωμα Bose-Einstein

Αποδεικνύεται ότι σε αυτή τη συγκεκριμένη κατάσταση, το συμπύκνωμα polariton μπορεί να λύσει το πρόβλημα βελτιστοποίησης που αναφέραμε όταν περιγράφουμε τους κβαντικούς υπολογιστές πολύ πιο αποτελεσματικά από τους επεξεργαστές που βασίζονται σε qubit. Οι συγγραφείς βρετανο-ρωσικών μελετών έχουν δείξει ότι καθώς οι πολαρίτες συμπυκνώνονται, οι κβαντικές φάσεις τους εντοπίζονται σε μια διαμόρφωση που αντιστοιχεί στο απόλυτο ελάχιστο μιας μιγαδικής συνάρτησης.

«Είμαστε στην αρχή της εξερεύνησης των δυνατοτήτων των γραφημάτων πολαριτόνων για την επίλυση σύνθετων προβλημάτων», γράφει ο συν-συγγραφέας του Nature Materials, Prof. Παύλος Λαγουδάκης, επικεφαλής του Εργαστηρίου Υβριδικής Φωτονικής στο Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον. «Αυτή τη στιγμή κλιμακώνουμε τη συσκευή μας σε εκατοντάδες κόμβους ενώ δοκιμάζουμε τη βασική επεξεργαστική ισχύ».

Σε αυτά τα πειράματα από τον κόσμο των λεπτών κβαντικών φάσεων του φωτός και της ύλης, ακόμη και οι κβαντικοί επεξεργαστές φαίνονται κάπως αδέξιοι και σταθερά συνδεδεμένοι με την πραγματικότητα. Όπως μπορείτε να δείτε, οι επιστήμονες δεν εργάζονται μόνο στους υπερυπολογιστές του αύριο και στα αυτοκίνητα του μεθαύριο, αλλά ήδη σχεδιάζουν τι θα συμβεί μεθαύριο.

Σε αυτό το σημείο, το να φτάσετε στο exascale θα είναι μια μεγάλη πρόκληση, τότε θα σκεφτείτε τα επόμενα ορόσημα στην κλίμακα flop (9). Όπως ίσως μαντέψατε, η απλή προσθήκη επεξεργαστών και μνήμης στο μείγμα δεν αρκεί. Αν πιστευτούν οι επιστήμονες, η επίτευξη τόσο ισχυρής υπολογιστικής ισχύος θα μας επιτρέψει να λύσουμε μεγάλα προβλήματα που γνωρίζουμε, όπως η αποκρυπτογράφηση του καρκίνου ή η ανάλυση αστρονομικών δεδομένων.

9. Το μέλλον των υπερυπολογιστών

Αντιστοιχίστε την ερώτηση με την απάντηση

Ποιο είναι το επόμενο;

Λοιπόν, με τους κβαντικούς υπολογιστές, προκύπτουν ερωτήματα σχετικά με το σε τι πρέπει να χρησιμοποιηθούν. Όπως λέει η παλιά παροιμία, οι υπολογιστές λύνουν προβλήματα που δεν θα υπήρχαν χωρίς αυτούς. Οπότε μάλλον πρέπει πρώτα να κατασκευάσουμε αυτές τις φουτουριστικές σούπερ μηχανές. Τότε τα προβλήματα θα προκύψουν από μόνα τους.

Σε ποιους τομείς μπορούν να είναι χρήσιμοι οι κβαντικοί υπολογιστές;

Τεχνητή νοημοσύνη. Το AI () λειτουργεί με βάση την αρχή της μάθησης μέσω της εμπειρίας, η οποία γίνεται ολοένα και πιο ακριβής καθώς λαμβάνονται σχόλια έως ότου το πρόγραμμα υπολογιστή γίνει «έξυπνο». Η ανατροφοδότηση βασίζεται σε υπολογισμούς των πιθανοτήτων μιας σειράς πιθανών επιλογών. Γνωρίζουμε ήδη ότι η Lockheed Martin, για παράδειγμα, σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει τον κβαντικό υπολογιστή της D-Wave για να δοκιμάσει λογισμικό αυτόματου πιλότου που είναι επί του παρόντος πολύ περίπλοκο για κλασικούς υπολογιστές και η Google χρησιμοποιεί έναν κβαντικό υπολογιστή για να αναπτύξει λογισμικό που μπορεί να διακρίνει αυτοκίνητα από ορόσημα .

Μοριακή μοντελοποίηση. Χάρη στους κβαντικούς υπολογιστές, θα είναι δυνατή η ακριβής προσομοίωση μοριακών αλληλεπιδράσεων, βρίσκοντας βέλτιστες διαμορφώσεις για χημικές αντιδράσεις. Η κβαντική χημεία είναι τόσο περίπλοκη που οι σύγχρονοι ψηφιακοί υπολογιστές μπορούν να αναλύσουν μόνο τα πιο απλά μόρια. Οι χημικές αντιδράσεις είναι κβαντικής φύσης επειδή δημιουργούν πολύ μπερδεμένες κβαντικές καταστάσεις που αλληλοεπικαλύπτονται, έτσι οι πλήρως ανεπτυγμένοι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούν εύκολα να αξιολογήσουν ακόμη και τις πιο περίπλοκες διαδικασίες. Η Google έχει ήδη δουλειά σε αυτόν τον τομέα - έχουν προσομοιώσει το μόριο του υδρογόνου. Το αποτέλεσμα θα είναι πιο αποδοτικά προϊόντα, από ηλιακούς συλλέκτες μέχρι φάρμακα.

Κρυπτογράφηση. Τα συστήματα ασφαλείας σήμερα εξαρτώνται από την αποτελεσματική πρωτογενή παραγωγή. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με ψηφιακούς υπολογιστές αναζητώντας κάθε πιθανό παράγοντα, αλλά ο τεράστιος χρόνος που απαιτείται καθιστά την "σπάσιμο κώδικα" ακριβή και μη πρακτική. Εν τω μεταξύ, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να το κάνουν αυτό εκθετικά πιο αποτελεσματικά από ό,τι οι ψηφιακές μηχανές, πράγμα που σημαίνει ότι οι σημερινές μέθοδοι ασφαλείας θα καταστούν σύντομα παρωχημένες. Υπάρχουν επίσης πολλά υποσχόμενες μέθοδοι κβαντικής κρυπτογράφησης που αναπτύσσονται για να επωφεληθούν από τη μονόδρομη φύση της κβαντικής εμπλοκής. Δίκτυα σε όλη την πόλη έχουν ήδη επιδειχθεί σε πολλές χώρες και Κινέζοι επιστήμονες ανακοίνωσαν πρόσφατα ότι έστειλαν με επιτυχία μπερδεμένα φωτόνια από έναν «κβαντικό» δορυφόρο σε τροχιά σε τρεις ξεχωριστούς σταθμούς βάσης πίσω στη Γη.

Χρηματοοικονομική μοντελοποίηση. Οι σύγχρονες αγορές είναι μερικά από τα πιο περίπλοκα συστήματα που υπάρχουν. Αν και έχει αναπτυχθεί η επιστημονική και μαθηματική συσκευή για την περιγραφή και τον έλεγχό τους, η αποτελεσματικότητα τέτοιων δραστηριοτήτων εξακολουθεί να είναι σε μεγάλο βαθμό ανεπαρκής λόγω των θεμελιωδών διαφορών στους επιστημονικούς κλάδους: δεν υπάρχει ελεγχόμενο περιβάλλον στο οποίο μπορούν να πραγματοποιηθούν πειράματα. Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, οι επενδυτές και οι αναλυτές έχουν στραφεί στον κβαντικό υπολογισμό. Ένα άμεσο πλεονέκτημα είναι ότι η εγγενής τυχαιότητα των κβαντικών υπολογιστών είναι συνεπής με τη στοχαστική φύση των χρηματοπιστωτικών αγορών. Οι επενδυτές συχνά θέλουν να αξιολογήσουν την κατανομή των αποτελεσμάτων σε έναν πολύ μεγάλο αριθμό σεναρίων που δημιουργούνται τυχαία.

Πρόγνωση καιρού. Ο επικεφαλής οικονομολόγος του NOAA Rodney F. Weiher δηλώνει ότι σχεδόν το 30% του ΑΕΠ των ΗΠΑ (6 τρισεκατομμύρια δολάρια) επηρεάζεται άμεσα ή έμμεσα από τις καιρικές συνθήκες. για την παραγωγή τροφίμων, τη μεταφορά και το λιανικό εμπόριο. Έτσι, η ικανότητα καλύτερης πρόβλεψης της αύρας θα ήταν πολύ χρήσιμη σε πολλούς τομείς, για να μην αναφέρουμε τον μεγαλύτερο διαθέσιμο χρόνο για προστασία από φυσικές καταστροφές. Ο εθνικός βραχίονας καιρού του Ηνωμένου Βασιλείου, το Met Office, έχει ήδη αρχίσει να επενδύει σε μια τέτοια καινοτομία για να καλύψει τις ανάγκες ισχύος και επεκτασιμότητας που θα πρέπει να αντιμετωπίσει από το 2020, και έχει δημοσιεύσει μια έκθεση για τις δικές του ανάγκες υπολογιστών exascale.

Σωματιδιακή φυσική. Τα μοντέλα φυσικής στερεών σωματιδίων είναι συχνά εξαιρετικά πολύπλοκες, περίπλοκες λύσεις που απαιτούν πολύ υπολογιστικό χρόνο για αριθμητικές προσομοιώσεις. Αυτό τα καθιστά ιδανικά για κβαντικούς υπολογιστές, και οι επιστήμονες έχουν ήδη κεφαλαιοποιήσει αυτό. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ και το Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής και Κβαντικής Πληροφορίας (IQOQI) χρησιμοποίησαν πρόσφατα ένα προγραμματιζόμενο κβαντικό σύστημα για να εκτελέσουν αυτήν την προσομοίωση. Σύμφωνα με μια δημοσίευση στο Nature, η ομάδα χρησιμοποίησε μια απλή έκδοση ενός κβαντικού υπολογιστή στον οποίο τα ιόντα εκτελούσαν λογικές πράξεις, τα βασικά βήματα οποιουδήποτε υπολογισμού στον υπολογιστή. Η προσομοίωση έδειξε πλήρη συμφωνία με τα πραγματικά πειράματα της περιγραφόμενης φυσικής. λέει ο θεωρητικός φυσικός Peter Zoller. -