كيف تعمل أجهزة الكمبيوتر البصرية والكمية؟

الإعلانات

تاريخ الحوسبة مليء بالتخبط.

ال التفاح الثالث لديها عادة سيئة لطهي نفسها في قشرتها المشوهة. ال أتاري جاكوار، وهي وحدة تحكم ألعاب "مبتكرة" لديها بعض الادعاءات الزائفة عن أدائها ، لم تتمكن من جذب السوق. تم تصميم شريحة Intel Pentium الرئيسية لتطبيقات المحاسبة عالية الأداء صعوبة في الأرقام العشرية.

ولكن النوع الآخر من التقليب الذي يسود عالم الحوسبة هو يتخبط القياس ، الذي تم الترحيب به منذ فترة طويلة كمقارنة عادلة بشكل معقول بين الآلات المختلفة ، والبنى والأنظمة.

FLOPS هو مقياس لعمليات الفاصلة العائمة في الثانية. ببساطة ، إنه عداد السرعة لنظام الحوسبة. وقد كان كذلك ينمو باطراد لعقود.

لذا ماذا لو أخبرتك أنه في غضون بضع سنوات ، سيكون لديك نظام يجلس على مكتبك ، أو في التلفزيون ، أو في الهاتف ، من شأنه أن يمسح أرضية أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم؟ لا يصدق؟ أنا مجنون؟ ألق نظرة على التاريخ قبل أن تحكم.

الكمبيوتر العملاق للسوبر ماركت

أحدث إنتل i7 هاسويل إذن ما هو الفرق بين وحدتي معالجة Intel Haswell و Ivy Bridge؟هل تبحث عن كمبيوتر جديد؟ يحتاج أولئك الذين يتسوقون للحصول على كمبيوتر محمول أو مكتبي جديد يعمل بنظام Intel إلى معرفة الاختلافات بين الجيل الأخير وأحدث معالجات Intel. قراءة المزيد

يمكن للمعالج أداء حوالي 177 مليار فلوبس (GFLOPS) وهو أسرع من أسرع حاسوب عملاق في الولايات المتحدة عام 1994 مختبرات سانديا الوطنية XP / s140 مع 3،680 نواة حاسوبية تعمل معًا.

يمكن أن يعمل PlayStation 4 عند حوالي 1.8 تريليون FLOPS بفضل تقدمه العمارة الخلوية الصغيرة، وكان قد تفوق على 55 مليون دولار ASCI Red الكمبيوتر العملاق الذي تصدّر دوري الكمبيوتر العملاق في جميع أنحاء العالم في عام 1998 ، قبل إصدار PS4 بنحو 15 عامًا.

آي بي إم نظام واتسون للذكاء الاصطناعي آي بي إم تكشف عن "دماغ على رقاقة" ثوريتم الإعلان عنه الأسبوع الماضي عبر مقال نشر في مجلة Science ، "TrueNorth" يُعرف باسم "شريحة الأعصاب" - وهي رقاقة كمبيوتر مصممة لتقليد الخلايا العصبية البيولوجية ، لاستخدامها في أنظمة الكمبيوتر الذكية مثل واتسون. قراءة المزيد لديه (الحالي) عملية الذروة 80 TFLOPS، وهذا ليس قريبًا جدًا من السماح لها بالدخول إلى قائمة أفضل 500 جهاز كمبيوتر فائق اليوم ، مع تيانهي الصينية 2 يتصدر قائمة أفضل 500 في 3 مناسبات متتالية الماضية ، مع أداء ذروة 54,902 TFLOPS ، أو ما يقرب من 55 بيتا فلوبس.

السؤال الكبير هو ، أين هو التالي كمبيوتر عملاق بحجم سطح المكتب أحدث تكنولوجيا الكمبيوتر التي يجب أن تراها لتصدقاطلع على بعض أحدث تقنيات الكمبيوتر التي تم إعدادها لتغيير عالم الإلكترونيات وأجهزة الكمبيوتر على مدار السنوات القليلة القادمة. قراءة المزيد سيأتي من؟ والأهم من ذلك ، متى نحصل عليه؟

طوب آخر في جدار الطاقة

في التاريخ الحديث ، كانت القوى الدافعة بين هذه المكاسب المذهلة في السرعة في علوم المواد وتصميم الهندسة المعمارية ؛ عمليات التصنيع على نطاق أصغر نانومتر تعني أن الرقائق يمكن أن تكون أرق وأسرع وتفرغ طاقة أقل في شكل حرارة ، مما يجعلها أرخص في التشغيل.

أيضًا ، مع تطوير البنى متعددة النواة خلال أواخر عام 2000 ، يتم الآن ضغط العديد من "المعالجات" على شريحة واحدة. هذه التكنولوجيا ، مقترنة بالنضج المتزايد لأنظمة الحساب الموزعة ، حيث كثير يمكن أن تعمل "أجهزة الكمبيوتر" كجهاز واحد ، مما يعني أن أفضل 500 شركة كانت تنمو دائمًا ، فقط للاحتفاظ بها مواكبة قانون مور الشهير.

ومع ذلك ، فإن بدأت قوانين الفيزياء تعترض طريق كل هذا النمو، حتى في إنتل قلقة بشأن ذلك، والعديد من أنحاء العالم يبحثون عن الشيء التالي.

... في حوالي عشر سنوات أو نحو ذلك ، سنرى انهيار قانون مور. في الواقع ، نرى بالفعل تباطؤًا في قانون مور. لا تستطيع طاقة الكمبيوتر ببساطة الحفاظ على ارتفاعها الأسّي السريع باستخدام تقنية السليكون القياسية. - دكتور. ميتشيو كاكو – 2012

المشكلة الأساسية في تصميم المعالجة الحالية هي أن الترانزستورات تعمل إما (1) أو متوقفة (0). في كل مرة بوابة الترانزستور "تقلبات" ، يجب أن تطرد كمية معينة من الطاقة إلى المادة التي تتكون منها البوابة لجعل ذلك "قلبًا". عندما تصبح هذه البوابات أصغر وأصغر ، فإن النسبة بين الطاقة لاستخدام الترانزستور و الطاقة "لقلب" الترانزستور تصبح أكبر وأكبر ، مما يخلق تدفئة وموثوقية كبيرة مشاكل. تقترب الأنظمة الحالية - وتتجاوز في بعض الحالات - كثافة الحرارة الخام للمفاعلات النووية ، وبدأت المواد في إخفاق مصمميها. هذا ما يسمى بشكل كلاسيكي "حائط الطاقة".

في الآونة الأخيرة ، بدأ البعض في التفكير بشكل مختلف حول كيفية إجراء حسابات مفيدة. استحوذت شركتان على وجه الخصوص على اهتمامنا من حيث الأشكال المتقدمة للحوسبة الكمومية والبصرية. كندي أنظمة الموجات D ومقرها المملكة المتحدة البصريات، وكلاهما لديه نهج مختلفة للغاية لمجموعات مشاكل مختلفة للغاية.

حان الوقت لتغيير الموسيقى

حصلت D-Wave على الكثير من الضغط مؤخرًا ، مع صندوقها الأسود المشؤوم شديد البرودة مع ارتفاع داخلي شديد السايبربانك ، يحتوي على شريحة عارية غامضة مع قوى يصعب تخيلها.

في الجوهر ، يأخذ نظام D2 نهجًا مختلفًا تمامًا لحل المشكلات عن طريق التخلص من كتاب القواعد للسبب والنتيجة. إذن ما نوع المشاكل التي يستهدفها العملاق المدعوم من Google / NASA / Lockheed Martin؟

الرجل المتجول

تاريخيا ، إذا كنت تريد حل NP- مشكلة صعبة أو متوسطة، حيث يوجد عدد كبير للغاية من الحلول الممكنة التي لديها مجموعة واسعة من الإمكانات ، باستخدام "القيم" ، فإن النهج الكلاسيكي لا يعمل ببساطة. خذ على سبيل المثال مشكلة البائع المتجول ؛ بالنظر إلى المدن N ، ابحث عن أقصر مسار لزيارة جميع المدن مرة واحدة. من المهم أن نلاحظ أن TSP هو عامل رئيسي في العديد من المجالات مثل تصنيع الرقائق الدقيقة ، والخدمات اللوجستية ، وحتى تسلسل الحمض النووي ،

لكن كل هذه المشاكل تتلخص في عملية بسيطة على ما يبدو. اختر نقطة للبدء منها ، وأنشئ مسارًا حول N "أشياء" ، وقياس المسافة ، وإذا كان هناك مسار موجود المسار الأقصر منه ، وتجاهل الطريق التي حاولت القيام بها وانتقل إلى الطريق التالي حتى لا توجد مسارات أخرى إلى التحقق من.

هذا يبدو سهلاً ، وبالنسبة للقيم الصغيرة فهو كذلك. لثلاث مدن ، هناك 3 * 2 * 1 = 6 مسارات للتحقق منها ، لـ 7 مدن هناك 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040 ، وهو ليس سيئًا للغاية بالنسبة لجهاز الكمبيوتر. هذا ال عامل التسلسل ، ويمكن التعبير عنه بـ "N!" ، لذا فإن 5040 يساوي 7 !.

ومع ذلك ، في الوقت الذي تذهب فيه إلى أبعد قليلاً ، إلى 10 مدن للزيارة ، تحتاج إلى اختبار أكثر من 3 ملايين مسار. في الوقت الذي تصل فيه إلى 100 ، يكون عدد الطرق التي تحتاج إلى التحقق منها 9 متبوعًا 157 أرقام. الطريقة الوحيدة للنظر إلى هذا النوع من الوظائف هي استخدام رسم بياني لوغاريتمي ، حيث يبدأ المحور ص عند 1 (10 ^ 0) ، 10 (10 ^ 1) ، 100 (10 ^ 2) ، 1000 (10 ^ 3 ) وهكذا.

تصبح الأرقام أكبر من أن تتمكن من المعالجة بشكل معقول على أي جهاز موجود اليوم أو يمكن أن توجد باستخدام بنى الحوسبة الكلاسيكية. لكن ما تفعله D-Wave مختلف تمامًا.

Vesuvius Emerges

رقاقة فيزوف في د 2 يستخدم حوالي 500 "كيوبت"أو بتات الكم لإجراء هذه الحسابات باستخدام طريقة تسمى التلدين الكمومي. بدلاً من قياس كل مسار في كل مرة ، يتم تعيين Vesuvius Qubits في حالة تراكب (لا تعمل ولا تعمل ، تعمل معًا كنوع من المجال المحتمل) وسلسلة من الأوصاف الجبرية المعقدة بشكل متزايد للحل (أي سلسلة من هاميلتوني يتم تطبيق أوصاف الحل ، وليس الحل نفسه) على مجال التراكب.

في الواقع ، يختبر النظام مدى ملاءمة كل حل محتمل في وقت واحد ، مثل الكرة "التي تقرر" طريقة النزول إلى أعلى التل. عندما يتم تخفيف التراكب في حالة أرضية ، يجب أن تصف الحالة الأرضية للكيوبتات الحل الأمثل.

تساءل الكثيرون عن مقدار الفائدة التي يوفرها نظام D-Wave على الكمبيوتر التقليدي. في اختبار تم إجراؤه مؤخرًا للمنصة ضد مشكلة نموذجي في السفر ، والتي استغرقت 30 دقيقة للكمبيوتر الكلاسيكي ، استغرق نصف ثانية فقط على فيسوفيوس.

ومع ذلك ، لتوضيح الأمر ، لن يكون هذا هو النظام الذي تلعب عليه Doom. يحاول بعض المعلقين القيام بذلك قارن هذا النظام المتخصص للغاية بمعالج للأغراض العامة. أنت ستكون أفضل حالا مقارنة a أوهايو-غواصة كلاسيكية مع F35 برق; أي مقياس تحدده لأحدهما يكون غير ملائم للآخر بحيث يكون عديم الفائدة.

تسجل D-Wave عدة مرات من حيث الحجم بشكل أسرع لمشكلاتها المحددة مقارنة بمعالج قياسي ، و FLOPS تتراوح التقديرات من 420 GFLOPS مثيرة للإعجاب نسبيًا إلى 1.5 Peta-FLOPS المذهلة (وضعها في قائمة أفضل 10 أجهزة كمبيوتر عملاقة في 2013 في وقت آخر نموذج عام عام). إذا كان هناك أي شيء ، فإن هذا التفاوت يسلط الضوء على بداية نهاية FLOPS كمقياس عالمي عند تطبيقها على مجالات مشكلة محددة.

يهدف هذا المجال من الحوسبة إلى مجموعة محددة للغاية (ومثيرة للاهتمام) من المشاكل. ومما يثير القلق أن إحدى المشكلات في هذا المجال هي التشفير كيفية تشفير Gmail و Outlook و Webmail الأخرىتحتفظ حسابات البريد الإلكتروني بمفاتيح معلوماتك الشخصية. إليك كيفية تشفير Gmail و Outlook.com وحسابات البريد الأخرى. قراءة المزيد - تشفير المفتاح العام على وجه التحديد.

لحسن الحظ ، يبدو أن تنفيذ D-Wave يركز على خوارزميات التحسين ، واتخذت D-Wave بعض قرارات التصميم (مثل هيكل النظير الهرمي على الشريحة) التي تشير إلى أنه لا يمكنك استخدام فيسوفيوس لحلها خوارزمية شور، والتي من المحتمل أن تفتح الإنترنت بشكل سيء للغاية سيجعل روبرت ريدفورد فخورًا.

الرياضيات الليزر

الشركة الثانية في قائمتنا هي Optalysys. تأخذ هذه الشركة القائمة في المملكة المتحدة الحوسبة وتقلبها رأساً على عقب باستخدام التراكب التناظري للضوء لأداء فئات معينة من الحسابات باستخدام طبيعة الضوء نفسه. يوضح الفيديو أدناه بعض الخلفية وأساسيات نظام Optalysys المقدمة من قبل الأستاذ هاينز وولف.

إنه مموج يدويًا بعض الشيء ، ولكن في الجوهر ، إنه صندوق يأمل أن يجلس يومًا على مكتبك تقديم دعم حسابي للمحاكاة ، CAD / CAM والتصوير الطبي (وربما الكمبيوتر فقط ألعاب). مثل Vesuvius ، لا توجد طريقة يقوم بها حل Optalysys بأداء مهام الحوسبة السائدة ، ولكن ليس هذا ما تم تصميمه من أجله.

طريقة مفيدة للتفكير في هذا النمط من المعالجة الضوئية هو التفكير فيه مثل وحدة معالجة الرسومات المادية (GPU). GPU الحديثة تعرف على مسرع الرسومات في التفاصيل المؤلمة باستخدام GPU-Z [Windows]إن وحدة معالجة الرسوميات GPU ، أو وحدة معالجة الرسومات ، هي جزء من الكمبيوتر المسؤول عن معالجة الرسومات. بمعنى آخر ، إذا كانت الألعاب متقطعة على جهاز الكمبيوتر الخاص بك أو لا يمكنها التعامل مع إعدادات عالية الجودة ، ... قراءة المزيد تستخدم العديد من معالجات البث بالتوازي ، وتقوم بنفس العمليات الحسابية على البيانات المختلفة الواردة من مناطق مختلفة من الذاكرة. جاءت هذه البنية كنتيجة طبيعية للطريقة التي يتم بها إنشاء رسومات الكمبيوتر ، ولكن تم استخدام هذه البنية المتوازية بشكل كبير لكل شيء من تداول عالي التردد، إلى الشبكات العصبية الاصطناعية.

تتعامل Optalsys مع مبادئ مماثلة وترجمتها إلى وسيط مادي ؛ يصبح تقسيم البيانات تقسيم الشعاع ، يصبح الجبر الخطي تداخل كمومي، تصبح وظائف أسلوب MapReduce أنظمة فلترة بصرية. وتعمل جميع هذه الوظائف في وقت ثابت وفوري بشكل فعال.

يستخدم جهاز النموذج الأولي شبكة من العناصر 20 هرتز 500 × 500 لإجراء تحويلات فورييه السريعة (بشكل أساسي ، "ما هي الترددات التي تظهر في دفق الإدخال هذا؟") وقد قدمت مكافئًا ساحقًا من 40 جيفلوبس. يستهدف المطورون نظام 340 GFLOPS بحلول العام القادم، والتي تأخذ في الاعتبار الاستهلاك المقدر للطاقة ، ستكون درجة رائعة.

فأين بلدي الصندوق الأسود؟

ال تاريخ الحوسبة تاريخ موجز لأجهزة الكمبيوتر التي غيرت العالميمكنك قضاء سنوات في الخوض في تاريخ الكمبيوتر. هناك الكثير من الاختراعات ، والكثير من الكتب عنها - وذلك قبل أن تبدأ في توجيه أصابع الاتهام التي تحدث حتمًا عندما ... قراءة المزيد يوضح لنا أن ما هو في البداية احتياطي مختبرات البحوث والوكالات الحكومية يشق طريقه بسرعة إلى الأجهزة الاستهلاكية. لسوء الحظ ، لم يضطر تاريخ الحوسبة إلى التعامل مع قيود قوانين الفيزياء ، حتى الآن.

أنا شخصياً لا أعتقد أن D-Wave و Optalysys ستكون التقنيات الدقيقة التي لدينا على مكاتبنا في غضون 5-10 سنوات. نعتبر أن أول التعرف عليها "ساعة ذكية" تم الكشف عنها في عام 2000 وفشلت فشلاً ذريعاً ؛ لكن جوهر التكنولوجيا مستمر حتى يومنا هذا. وبالمثل ، فإن هذه الاستكشافات في مسرعات الكم والحوسبة الضوئية ستنتهي على الأرجح في شكل حواشي في "الشيء الكبير التالي".

علم المواد يقترب من أجهزة الكمبيوتر البيولوجيةباستخدام بنى شبيهة بالحمض النووي لأداء الرياضيات. تكنولوجيا النانو و "مادة قابلة للبرمجة" يقترب من النقطة بدلاً من معالجة "البيانات" ، وستحتوي المادة نفسها على المعلومات وتمثلها وتعالجها.

بشكل عام ، إنه عالم جديد شجاع لعالم حسابي. إلى أين تعتقد أن كل هذا يجري؟ دعنا نتحدث عن ذلك في التعليقات!

حقوق الصورة:KL Intel Pentium A80501 بواسطة كونستانتين لانزيت ، أسكي الأحمر - tflop4m من قبل حكومة الولايات المتحدة - مختبرات سانديا الوطنية ، DWave D2 بواسطة فانكوفر صن ، DWave 128chip بواسطة D-Wave Systems، Inc. ، مشكلة البائع المتجول بواسطة Randall Munroe (XKCD)