Comment fonctionnent les ordinateurs optiques et quantiques?

L'histoire de l'informatique est pleine de flops.

La pomme III avait la mauvaise habitude de se faire cuire dans sa coquille déformée. Atari Jaguar, une console de jeux «innovante» qui avait de fausses déclarations 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 avait des difficultés avec les nombres décimaux.

Mais l’autre type de flop qui prévaut dans le monde informatique est la mesure FLOPS, considérée depuis longtemps 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 d'un système informatique. Et cela fait une croissance exponentielle depuis des décennies.

Et si je vous disais que dans quelques années, vous aurez un système installé sur votre bureau, sur votre téléviseur ou sur votre téléphone, qui effacera le sol des superordinateurs actuels? Incroyable? Je suis fou Regardez l'histoire avant de juger.

Supercalculateur au supermarché

Une récente Intel i7 Haswell Alors quelle est la différence entre les processeurs Intel Haswell et Ivy Bridge? Alors, quelle est la différence entre les processeurs Intel Haswell et Ivy Bridge d'Intel? Vous cherchez un nouvel ordinateur? Ceux qui recherchent un nouvel ordinateur portable ou de bureau alimenté par Intel doivent connaître les différences entre les processeurs Intel de la dernière génération et ceux de la dernière génération. Le processeur peut effectuer environ 177 milliards de FLOPS (GFLOPS), ce 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 fonctionnant ensemble.

Une PlayStation 4 peut fonctionner à environ 1,8 billion de dollars grâce à sa microarchitecture cellulaire avancée et aurait surpassé le supercalculateur ASCI Red de 55 millions de dollars qui dominait la ligue mondiale des supercalculateurs en 1998, près de 15 ans avant la sortie de la PS4..

Le système Watson AI d'IBM IBM dévoile un cerveau "révolutionnaire" révolutionnaire IBM dévoile un "cerveau révolutionnaire" révolutionnaire Annoncé la semaine dernière dans un article de Science, "TrueNorth" est ce qu'on appelle une "puce neuromorphique" - une puce informatique conçue pour imiter des neurones biologiques, pour une utilisation dans des systèmes informatiques intelligents comme Watson. a atteint (actuellement) 80 TFLOPS en heures de pointe, ce qui est loin d’être classé parmi les supercalculateurs du Top 500 actuel, le Chinois Tianhe-2 se classant parmi les 500 meilleurs de la catégorie Top 500 ces 3 dernières années consécutives, avec une performance record de 54 902 TFLOPS, ou près de 55 Peta-FLOPS.

La grande question est de savoir où se trouve le prochain supercalculateur de bureau. Les dernières technologies informatiques qu'il faut voir pour croire Les dernières technologies informatiques pour savoir croire Découvrez quelques-unes des dernières technologies informatiques susceptibles de transformer le monde de l'électronique et des PC au cours des prochaines années. va venir? Et plus important encore, quand l'obtenons-nous?

Une autre brique dans le mur d'énergie

Dans l’histoire récente, ces progrès impressionnants de vitesse ont eu pour moteur la science des matériaux et la conception d’architecture; Des procédés de fabrication plus petits à l'échelle nanométrique signifient que les puces peuvent être plus minces, plus rapides et moins d'énergie libérée 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 compressés sur une seule puce. Cette technologie, combinée à la maturité croissante des systèmes de calcul distribués, où de nombreux «ordinateurs» peuvent fonctionner comme une seule machine, signifie que le Top 500 a toujours été en croissance, se rapprochant ainsi de la célèbre loi de Moore..

Cependant, les lois de la physique commencent à gêner toute cette croissance, même Intel s’inquiète pour cela, et de nombreuses personnes à travers le monde cherchent le prochain..

… Dans environ dix ans, nous verrons l'effondrement de la loi de Moore. En fait, nous observons déjà un ralentissement de la loi de Moore. La puissance des ordinateurs ne peut tout simplement pas maintenir sa croissance exponentielle rapide avec la technologie standard au silicium. - Dr. Michio Kaku - 2012

Le problème fondamental de la conception actuelle du traitement est que les transistors sont activés (1) ou désactivés (0). Chaque fois qu'une grille de transistor «bascule», elle doit expulser une certaine quantité d'énergie dans le matériau constituant la grille pour que cette «bascule» reste. Au fur et à mesure que ces portes deviennent de plus en plus petites, le rapport entre l'énergie utilisée pour utiliser le transistor et l'énergie utilisée pour "retourner" le transistor devient de plus en plus grand, ce qui crée de gros problèmes de chauffage et de fiabilité. Les systèmes actuels approchent - et dans certains cas dépassent - la densité de chaleur brute des réacteurs nucléaires, et les matériaux commencent à faire défaut à leurs concepteurs. Ceci est classiquement appelé le «mur de puissance».

Récemment, certains ont commencé à penser différemment à la manière d'effectuer des calculs utiles. Deux sociétés en particulier ont retenu notre attention en termes de formes avancées d’informatique quantique et optique. Les systèmes canadiens D-Wave et Optalysys basé au Royaume-Uni, qui ont tous deux une approche extrêmement différente de problèmes très différents.

Il est temps de changer de musique

D-Wave a beaucoup fait parler de lui dernièrement, avec sa boîte noire sinistre très refroidie avec une pointe interne 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 éliminant efficacement le livre de règles de cause à effet. Alors, quel genre de problèmes ce Google / NASA / Lockheed Martin a-t-il soutenu.?

L'homme qui marche

Historiquement, si vous souhaitez résoudre un problème NP-Difficile ou intermédiaire, dans lequel il existe un nombre extrêmement élevé de solutions possibles et offrant un large éventail de potentiel, l'utilisation de «valeurs» ne permet tout simplement pas de résoudre le problème par le biais de l'approche classique. 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 important dans de nombreux domaines tels que la fabrication de puces, la logistique et même le séquençage de l'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 existant plus court, annulez l'itinéraire tenté et passez au suivant jusqu'à ce qu'il n'y ait plus d'itinéraire à vérifier..

Cela semble facile, et pour les petites valeurs, ça l'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 si mal pour un ordinateur. Ceci est une séquence factorielle, et peut être exprimée comme “N!”, alors 5040 est 7!.

Cependant, lorsque vous allez un peu plus loin, dans 10 villes à visiter, vous devez tester plus de 3 millions de routes. Lorsque vous atteignez 100, le nombre de routes à vérifier est de 9 suivi de 157 chiffres. La seule façon d’examiner ce type de fonctions consiste à utiliser un graphe logarithmique, l’axe des ordonnées commençant à 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3). ) etc.

Les nombres deviennent trop importants pour pouvoir traiter raisonnablement sur une machine existante ou pouvant exister en utilisant des architectures informatiques classiques. Mais ce que fait D-Wave est très différent.

Le Vésuve émerge

La puce Vesuvius du D2 utilise environ 500 «qubits» ou bits quantiques pour effectuer ces calculs à l'aide d'une méthode appelée annelage quantique. Plutôt que de mesurer chaque itinéraire à la fois, les Qubits du Vésuve se placent dans un état de superposition (ni actif, ni éteint, fonctionnant ensemble comme une sorte de champ potentiel) et dans une série de descriptions algébriques de plus en plus complexes de la solution (une série de les descriptions de la solution, pas une solution elle-même) sont appliquées au champ de superposition.

En effet, le système teste simultanément l'adéquation de chaque solution potentielle, comme un ballon "décidant" de quelle manière descendre une colline. Lorsque la superposition est relâchée dans un état fondamental, cet état fondamental des bits doit décrire la solution optimale.

Beaucoup se sont demandés quel avantage le système D-Wave offre par rapport à un ordinateur conventionnel. Dans un récent test de la plate-forme contre un problème typique de Travelling Saleman, qui prenait 30 minutes pour un ordinateur classique, ne prenait qu'une demi-seconde sur le Vésuve.

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

La D-Wave cadence plus rapidement de plusieurs ordres de grandeur pour ses problèmes spécifiques par rapport à un processeur standard, et les estimations de FLOPS vont de 420 GFLOPS relativement impressionnants à un époustouflant 1,5 Peta-FLOPS (le classer dans le Top 10 des supercalculateurs liste en 2013 lors du dernier prototype public). Au contraire, cette disparité met en évidence le début de la fin de FLOPS en tant que mesure universelle appliquée à des problèmes spécifiques.

Ce domaine de l'informatique vise un ensemble de problèmes très spécifiques (et très intéressants). De manière inquiétante, l’un des problèmes de cette sphère est la cryptographie. Comment chiffrer vos comptes de messagerie Gmail, Outlook et autres courriers Web Comment chiffrer vos comptes de messagerie Gmail, Outlook et Autres messages Webmail contiennent les clés de vos informations personnelles. Voici comment chiffrer votre compte Gmail, Outlook.com et d’autres comptes de messagerie. - spécifiquement la cryptographie à clé publique.

Heureusement, l'implémentation de D-Wave semble centrée sur les algorithmes d'optimisation et D-Wave a pris des décisions de conception (telles que la structure de peering hiérarchique sur la puce) qui indiquent que vous ne pouvez pas utiliser le Vésuve pour résoudre l'algorithme de Shor, ce qui pourrait potentiellement déverrouiller Internet. si mal que ça ferait de Robert Redford fier.

Maths au laser

La deuxième entreprise sur notre liste est Optalysys. Cette société basée au Royaume-Uni prend l’informatique et la renverse en utilisant une superposition analogique de la lumière pour effectuer certaines classes de calcul en utilisant la nature même de la lumière. La vidéo ci-dessous présente quelques éléments de base et fondamentaux du système Optalysys, présentés par le professeur Heinz Wolff..

C'est un peu vague, mais c'est essentiellement une boîte qui, espérons-le, restera un jour sur votre bureau et fournira une aide en matière de calcul pour les simulations, la CAO / FAO et l'imagerie médicale (et peut-être, peut-être, les jeux informatiques). Comme le Vésuve, la solution Optalysys n’exécutera aucune tâche informatique classique, mais ce n’est pas ce pour quoi elle a été conçue..

Un moyen utile de réfléchir à ce style de traitement optique consiste à le considérer comme une unité de traitement graphique (GPU) physique. Un GPU moderne Apprenez à connaître votre accélérateur graphique de manière extrêmement détaillée avec GPU-Z [Windows] Apprenez à connaître votre accélérateur graphique de manière extrêmement détaillée avec GPU-Z [Windows] Le GPU, ou l’unité de traitement graphique, est la partie de votre ordinateur en charge de gérer les graphiques. En d’autres termes, si les jeux sont instables sur votre ordinateur ou s’il ne parvient pas à gérer des paramètres de très haute qualité,… utilise de nombreux processeurs de streaming en parallèle, effectuant le même calcul sur différentes données provenant de différents domaines de la mémoire. Cette architecture est le résultat naturel de la manière dont les images informatiques sont générées, mais cette architecture massivement parallèle a été utilisée pour tout, du trading haute fréquence aux réseaux de neurones artificiels..

Optalsys utilise des principes similaires et les traduit en un support physique; la partition des données devient une division du faisceau, l'algèbre linéaire devient une interférence quantique, les fonctions de style MapReduce deviennent des systèmes de filtrage optique. Et toutes ces fonctions fonctionnent en temps constant, efficacement et instantanément..

Le prototype initial utilise une grille d’éléments 20Hz 500 × 500 pour effectuer des transformations rapides de Fourier, “quelles fréquences apparaissent dans ce flux d'entrée?”) et a livré un équivalent décevant de 40 GFLOPS. Les développeurs ciblent un système de 340 GFLOPS d'ici l'an prochain, ce qui, compte tenu de la consommation d'énergie estimée, constituerait un score impressionnant.

Alors, où est ma boîte noire?

L'histoire de l'informatique Une brève histoire des ordinateurs qui ont changé le monde Une brève histoire des ordinateurs qui ont changé le monde Vous pouvez passer des années à fouiller dans l'histoire de l'ordinateur. Il y a des tonnes d'inventions, des tonnes de livres à ce sujet - et c'est avant que vous ne commenciez à vous faire comprendre ce qui se produit inévitablement lorsque… nous montre que ce qui est initialement la réserve de laboratoires de recherche et d'agences gouvernementales fait rapidement son chemin dans le matériel grand public. Malheureusement, l’histoire de l’informatique n’a pas encore été confrontée aux limites des lois de la physique..

Personnellement, je ne pense pas que D-Wave et Optalysys seront les technologies exactes que nous avons 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 continue aujourd'hui. De même, ces explorations sur les accélérateurs informatiques Quantum et Optical finiront probablement par devenir des notes de bas de page dans «the next big thing»..

La science des matériaux se rapproche des ordinateurs biologiques, utilisant des structures analogues à l'ADN pour effectuer des calculs. La nanotechnologie et la «matière programmable» se rapprochent du point où elles sont plutôt que de traiter des «données», le matériau lui-même contiendra, représentera et traitera de l'information.

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

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