¿Cómo funcionan las computadoras ópticas y cuánticas?

La historia de la computación está llena de fracasos.

La Apple III tenía la desagradable costumbre de cocinarse en su caparazón deformado. El 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 dificultades con los números decimales..

Pero el otro tipo de fracaso que prevalece en el mundo de la informática es la medición FLOPS, 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 estado creciendo exponencialmente durante décadas..

Entonces, ¿qué pasaría si te dijera que dentro de 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 Intel i7 Haswell reciente ¿Cuál es la diferencia entre las CPU Haswell e Ivy Bridge de Intel? 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. El procesador puede realizar alrededor de 177 mil millones de 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 funcionar a alrededor de 1.8 Trillion FLOPS gracias a su microarquitectura Cell avanzada, y habría superado la supercomputadora ASCI Red de $ 55 millones que encabezó la liga mundial de supercomputadoras en 1998, casi 15 años antes del lanzamiento de la PS4.

IBM Watson AI System IBM revela revolucionario "Brain on a Chip" 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 imita las neuronas biológicas, para su uso en sistemas informáticos inteligentes como Watson. tiene un funcionamiento máximo (actual) 80 TFLOPS, y eso no está cerca de dejarlo en la lista de las 500 mejores computadoras de hoy, con el Tianhe-2 chino encabezando las 500 principales 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 la próxima supercomputadora de escritorio La última tecnología informática que debes ver para creer La última tecnología informática que debes ver para creer Mira algunas de las últimas tecnologías informáticas que están configuradas para transformar el mundo de la electrónica y PC en los próximos años. va a venir? Y lo más importante, ¿cuándo lo estamos obteniendo??

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 fines de la década de 2000, muchos 'procesadores' ahora están comprimidos en un solo chip. Esta tecnología, combinada con la creciente madurez de los sistemas de computación distribuida, donde muchas 'computadoras' pueden operar como una sola máquina, significa que las 500 principales siempre han estado creciendo, solo para mantener el ritmo de la famosa Ley de Moore.

Sin embargo, las leyes de la física están comenzando a obstaculizar todo este crecimiento, incluso Intel está preocupado por eso, y muchos en todo el mundo están buscando lo próximo..

... 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 una puerta del transistor "gira", tiene que expulsar una cierta cantidad de energía en el material del que está hecha la puerta para hacer que esa "flip" 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 problemas importantes de calentamiento y confiabilidad. Los sistemas actuales se están acercando, y en algunos casos superando, la densidad bruta de calor de los reactores nucleares, y los materiales comienzan a fallar a sus diseñadores. Esto se llama clásicamente el 'Muro de Poder'.

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. Los sistemas canadienses D-Wave y Optalysys con sede en el Reino Unido, ambos tienen enfoques extremadamente diferentes para 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, ¿qué tipo de problemas es este gigante de Google / NASA / Lockheed Martin con el objetivo de?

El hombre laberíntico

Históricamente, si desea resolver un problema NP-Hard o Intermedio, donde hay un número extremadamente alto de posibles soluciones que tienen un amplio rango de potencial, el uso de 'valores' del enfoque clásico simplemente no funciona. Tomemos, por ejemplo, el problema del vendedor ambulante; dado N-ciudades, 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 secuenciación del ADN.,

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

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 tan malo para que lo maneje una computadora. Esta es una secuencia factorial, y se puede expresar como “norte!”, 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 D-Wave está haciendo es muy diferente..

El Vesubio emerge

El chip Vesubio en el D2 usa alrededor de 500 'qubits' o Quantum Bits para realizar estos cálculos usando un método llamado Quantum Annealing. En lugar de medir cada ruta a la vez, los Vesubio Qubits se colocan en un estado de superposición (ni encendido ni apagado, que funcionan 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 hamiltonianos 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 que "decide" qué camino tomar cuesta abajo. Cuando la superposición se relaja en un estado fundamental, ese estado fundamental de los qubits debe 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 comparar este sistema altamente especializado con un procesador de propósito general. Sería mejor comparar un submarino clase Ohio con el F35 Lightning; cualquier métrica que seleccione para una es tan inapropiada para la otra como inútil.

El D-Wave está registrando varios órdenes de magnitud más rápido para sus problemas específicos en comparación con un procesador estándar, y las estimaciones de FLOPS varían desde un relativamente impresionante 420 GFLOPS hasta un impresionante 1.5 Peta-FLOPS (colocándolo en el Top 10 de la supercomputadora lista en 2013 en el momento del último prototipo público). En todo caso, esta disparidad destaca 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). Preocupantemente, uno de los problemas dentro de esta esfera es la criptografía. Cómo encriptar su Gmail, Outlook y otro correo web Cómo encriptar sus cuentas de correo electrónico Gmail, Outlook y otro correo web tienen las claves de su información personal. Aquí le mostramos cómo encriptar su cuenta de Gmail, Outlook.com y otras cuentas de correo. - específicamente Criptografía de clave pública.

Afortunadamente, la implementación de D-Wave parece enfocada en algoritmos de optimización, y D-Wave tomó algunas decisiones de diseño (como la estructura jerárquica de pares en el chip) que indican que no se puede usar el Vesubio para resolver el algoritmo de Shor, lo que potencialmente desbloquearía Internet tanto que enorgullecería a Robert Redford.

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 el Prof. Heinz Wolff.

Es un poco pesado, pero en esencia, es una caja que con suerte algún día se sentará en su escritorio y proporcionará soporte de cómputo para simulaciones, CAD / CAM e imágenes médicas (y tal vez, solo tal vez, juegos de computadora). 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 un detalle insoportable con GPU-Z [Windows] Conozca su acelerador de gráficos con un detalle insoportable con GPU-Z [Windows] La GPU, o unidad de procesamiento de gráficos, es la parte de su computadora a cargo de manejo de gráficos. En otras palabras, si los juegos están entrecortados en su computadora o no puede manejar configuraciones de muy alta calidad, ... use 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 el comercio de alta frecuencia hasta las redes neuronales artificiales.

Optalsys toma principios similares y los traduce a un medio físico; la partición de datos se convierte en división de haz, el álgebra lineal se convierte en 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 entregado un equivalente decepcionante de 40 GFLOPS. Los desarrolladores apuntan a un sistema 340 GFLOPS para el próximo año, lo que teniendo en cuenta el consumo de energía estimado, sería un puntaje impresionante.

Entonces, ¿dónde está mi caja negra??

La historia de la informática Una breve historia de las computadoras que cambiaron el mundo Una breve historia de las computadoras que cambiaron el mundo Puede 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 ... 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 de consumo. Desafortunadamente, la historia de la informática no ha tenido que lidiar con las limitaciones de las leyes de la física, aún.

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 a pie de página en 'la próxima gran novedad'.

La ciencia de los materiales se está acercando a las computadoras biológicas, utilizando estructuras similares al ADN para realizar las matemáticas. La nanotecnología y la 'materia programable' se están acercando al punto en lugar de procesar 'datos', el material en sí 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 de las fotos: KL Intel Pentium A80501 por Konstantin Lanzet, Asci red - tflop4m por el gobierno de los EE. UU. - Sandia National Laboratories, DWave D2 por The Vancouver Sun, DWave 128chip por D-Wave Systems, Inc., Problema de vendedor ambulante por Randall Munroe (XKCD)