ขอบฟ้าของอดีต - และอื่น ๆ ...

ในแง่หนึ่ง สิ่งเหล่านี้ควรช่วยให้เราเอาชนะมะเร็ง ทำนายสภาพอากาศได้อย่างแม่นยำ และเชี่ยวชาญด้านนิวเคลียร์ฟิวชัน ในทางกลับกัน มีความกลัวว่าจะทำให้เกิดการทำลายล้างทั่วโลกหรือทำให้มนุษย์ตกเป็นทาส อย่างไรก็ตาม ในขณะนี้ สัตว์ประหลาดที่คำนวณได้ยังไม่สามารถทำความดีและความชั่วในระดับสากลได้ในเวลาเดียวกัน

ในยุค 60 คอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดมีพลัง megaflops (การดำเนินการจุดลอยตัวนับล้านต่อวินาที) คอมพิวเตอร์เครื่องแรกที่มีพลังการประมวลผล เหนือ 1 GFLOPS (gigaflops) คือ เครย์2ผลิตโดย Cray Research ในปี 1985 รุ่นแรกที่มีพลังการประมวลผล สูงกว่า 1 TFLOPS (เทราฟลอปส์) เคยเป็น ASCI สีแดงสร้างขึ้นโดย Intel ในปี 1997 พลังงาน 1 PFLOPS (petaflops) ถึง Roadrunnerเผยแพร่โดย IBM ในปี 2008

บันทึกกำลังประมวลผลปัจจุบันเป็นของ Sunway TaihuLight ของจีนและมีค่าเท่ากับ 9 PFLOPS

แม้ว่าอย่างที่คุณเห็น เครื่องจักรที่ทรงพลังที่สุดยังไม่ถึงร้อย petaflops มากขึ้นเรื่อยๆ ระบบ exascaleที่ต้องคำนึงถึงอำนาจ exflopsach (EFLOPS) เช่น ประมาณ 1018 การดำเนินการต่อวินาที อย่างไรก็ตาม โครงสร้างดังกล่าวยังคงอยู่ในขั้นตอนของโครงการที่มีระดับความซับซ้อนต่างกันออกไปเท่านั้น

ส่วนลด (การดำเนินการจุดลอยตัวต่อวินาที) เป็นหน่วยของกำลังประมวลผลที่ใช้เป็นหลักในการใช้งานทางวิทยาศาสตร์ ใช้งานได้หลากหลายกว่าบล็อก MIPS ที่ใช้ก่อนหน้านี้ ซึ่งหมายถึงจำนวนคำสั่งโปรเซสเซอร์ต่อวินาที ความล้มเหลวไม่ใช่ SI แต่สามารถตีความได้ว่าเป็นหน่วยของ 1/s

คุณต้องการ exascale สำหรับโรคมะเร็ง

เอกซ์ฟลอปหรือพันเพตาฟลอปเป็นมากกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ XNUMX อันดับแรกรวมกัน นักวิทยาศาสตร์หวังว่าเครื่องจักรรุ่นใหม่ที่มีพลังดังกล่าวจะนำมาซึ่งความก้าวหน้าในด้านต่างๆ

พลังการประมวลผลระดับ Exascale บวกกับเทคโนโลยีแมชชีนเลิร์นนิ่งที่ก้าวหน้าอย่างรวดเร็วน่าจะช่วยได้ ตัวอย่างเช่น ในที่สุด ถอดรหัสมะเร็ง. ปริมาณข้อมูลที่แพทย์ต้องมีเพื่อวินิจฉัยและรักษามะเร็งมีมากจนยากสำหรับคอมพิวเตอร์ทั่วไปที่จะรับมือกับงานนี้ ในการศึกษาชิ้นเนื้อเนื้องอกเดี่ยวทั่วไป จะมีการตรวจวัดมากกว่า 8 ล้านครั้ง โดยในระหว่างนั้นแพทย์จะวิเคราะห์พฤติกรรมของเนื้องอก การตอบสนองต่อการรักษาทางเภสัชวิทยา และผลกระทบต่อร่างกายของผู้ป่วย นี่คือมหาสมุทรของข้อมูลที่แท้จริง

Rick Stevens จากกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) Argonne Laboratory กล่าว -

การผสมผสานการวิจัยทางการแพทย์กับพลังการคำนวณ นักวิทยาศาสตร์กำลังทำงานเพื่อ เทียนระบบโครงข่ายประสาท (). ซึ่งจะทำให้คุณสามารถคาดการณ์และพัฒนาแผนการรักษาที่ปรับให้เข้ากับความต้องการส่วนบุคคลของผู้ป่วยแต่ละราย ซึ่งจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจพื้นฐานระดับโมเลกุลของปฏิกิริยาระหว่างโปรตีนที่สำคัญ พัฒนาแบบจำลองการตอบสนองของยาที่คาดการณ์ได้ และแนะนำกลยุทธ์การรักษาที่เหมาะสมที่สุด Argonne เชื่อว่าระบบ exascale จะสามารถเรียกใช้แอปพลิเคชัน CANDLE ได้เร็วกว่าเครื่องซุปเปอร์แมชชีนที่ทรงพลังที่สุดที่รู้จักในปัจจุบันถึง 50 ถึง 100 เท่า

ดังนั้นเราจึงตั้งตารอที่จะได้เห็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ระดับ exascale อย่างไรก็ตาม เวอร์ชันแรกไม่จำเป็นต้องปรากฏในสหรัฐอเมริกาเสมอไป แน่นอนว่าสหรัฐฯ กำลังแข่งขันกันเพื่อสร้างพวกเขา และรัฐบาลท้องถิ่นในโครงการที่เรียกว่า แสงเงินแสงทอง ร่วมมือกับ AMD, IBM, Intel และ Nvidia มุ่งมั่นที่จะนำหน้าคู่แข่งจากต่างประเทศ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่คาดว่าจะเกิดขึ้นก่อนปี 2021 ในขณะเดียวกัน ในเดือนมกราคม 2017 ผู้เชี่ยวชาญชาวจีนได้ประกาศการสร้างต้นแบบ exascale แบบจำลองการทำงานอย่างสมบูรณ์ของหน่วยคำนวณประเภทนี้คือ − เทียนเหอ -3 - อย่างไรก็ตาม ไม่น่าจะพร้อมในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

คนจีนกอดแน่น

ความจริงก็คือตั้งแต่ปี 2013 การพัฒนาของจีนได้ติดอันดับคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดในโลก เขาครอบงำมาหลายปี เทียนเหอ -2และตอนนี้ฝ่ามือเป็นของที่กล่าวถึง Sunway TaihuLight. เป็นที่เชื่อกันว่าเครื่องจักรที่ทรงพลังที่สุดทั้งสองเครื่องในอาณาจักรกลางนี้มีประสิทธิภาพมากกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ XNUMX ตัวในกระทรวงพลังงานสหรัฐ

แน่นอน นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันต้องการฟื้นตำแหน่งผู้นำที่พวกเขาถือไว้เมื่อห้าปีที่แล้ว และกำลังดำเนินการเกี่ยวกับระบบที่จะช่วยให้พวกเขาสามารถทำเช่นนี้ได้ มันถูกสร้างขึ้นที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ในรัฐเทนเนสซี การประชุมสุดยอด (2) ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่มีกำหนดเปิดตัวปลายปีนี้ มันเหนือกว่าพลังของ Sunway TaihuLight ซึ่งจะใช้ในการทดสอบและพัฒนาวัสดุใหม่ที่แข็งแรงและเบาขึ้น เพื่อจำลองภายในโลกโดยใช้คลื่นเสียง และเพื่อสนับสนุนโครงการดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่กำลังศึกษาต้นกำเนิดของจักรวาล

2. แผนผังเชิงพื้นที่ของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ซัมมิท

ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne ที่กล่าวถึง ในไม่ช้านักวิทยาศาสตร์ก็วางแผนที่จะสร้างอุปกรณ์ที่เร็วยิ่งขึ้นไปอีก เรียกว่า A21ประสิทธิภาพคาดว่าจะสูงถึง 200 petaflops

ญี่ปุ่นยังมีส่วนร่วมในการแข่งขันซูเปอร์คอมพิวเตอร์อีกด้วย แม้ว่าเมื่อเร็ว ๆ นี้จะถูกบดบังด้วยการแข่งขันระหว่างสหรัฐฯ-จีน แต่ประเทศนี้มีแผนจะเปิดตัว ระบบ ABKI () ให้อำนาจ 130 เพตาฟลอป ชาวญี่ปุ่นหวังว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ดังกล่าวจะสามารถนำมาใช้เพื่อพัฒนา AI (ปัญญาประดิษฐ์) หรือการเรียนรู้เชิงลึก

ในขณะเดียวกันรัฐสภายุโรปเพิ่งตัดสินใจสร้างซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของสหภาพยุโรปพันล้านยูโร สัตว์ประหลาดคอมพิวเตอร์ตัวนี้จะเริ่มทำงานในศูนย์วิจัยในทวีปของเราในช่วงเปลี่ยนปี 2022 และ 2023 เครื่องจะถูกสร้างขึ้นภายใน โครงการ EuroGPCและการก่อสร้างจะได้รับการสนับสนุนทางการเงินจากประเทศสมาชิก ดังนั้นโปแลนด์ก็จะเข้าร่วมในโครงการนี้ด้วย พลังที่คาดการณ์ไว้มักเรียกว่า "พรีเอ็กซาสเกล"

จนถึงตอนนี้ จากการจัดอันดับในปี 2017 ของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดในโลก 202 เครื่องนั้น จีนมีเครื่องจักรดังกล่าว 40 เครื่อง (144%) ในขณะที่อเมริกาควบคุม 29 (XNUMX%)

ประเทศจีนยังใช้พลังประมวลผล 35% ของโลกเมื่อเทียบกับ 30% ในสหรัฐอเมริกา ประเทศถัดไปที่มีซูเปอร์คอมพิวเตอร์มากที่สุดในรายชื่อ ได้แก่ ญี่ปุ่น (35 ระบบ), เยอรมนี (20), ฝรั่งเศส (18) และสหราชอาณาจักร (15) เป็นที่น่าสังเกตว่าไม่ว่าประเทศต้นทางจะเป็นประเทศใด ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดทั้งห้าร้อยคนใช้ Linux เวอร์ชันต่างๆ กัน ...

ออกแบบเองได้

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์เป็นเครื่องมืออันมีค่าที่สนับสนุนอุตสาหกรรมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอยู่แล้ว สิ่งเหล่านี้ช่วยให้นักวิจัยและวิศวกรก้าวหน้าอย่างมั่นคง (และบางครั้งก็ก้าวกระโดดครั้งใหญ่) ในด้านต่างๆ เช่น ชีววิทยา การพยากรณ์อากาศและสภาพอากาศ ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ และอาวุธนิวเคลียร์

ส่วนที่เหลือขึ้นอยู่กับพลังของพวกเขา ในทศวรรษหน้า การใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์สามารถเปลี่ยนสถานการณ์ทางเศรษฐกิจ การทหาร และภูมิศาสตร์การเมืองของประเทศเหล่านั้นได้อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งสามารถเข้าถึงโครงสร้างพื้นฐานที่ทันสมัยประเภทนี้ได้

ความก้าวหน้าในด้านนี้รวดเร็วมากจนการออกแบบไมโครโปรเซสเซอร์รุ่นใหม่กลายเป็นเรื่องยากเกินไปสำหรับบุคลากรจำนวนมาก ด้วยเหตุนี้ ซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ขั้นสูงและซูเปอร์คอมพิวเตอร์จึงมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ ซึ่งรวมถึงคอมพิวเตอร์ที่มีคำว่า "super" นำหน้าด้วย

3. ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของญี่ปุ่น

บริษัทยาจะสามารถดำเนินการได้อย่างเต็มที่ในเร็วๆ นี้ด้วยพลังพิเศษด้านการประมวลผล ประมวลผลจีโนมมนุษย์จำนวนมากสัตว์และพืชที่จะช่วยสร้างยาใหม่และรักษาโรคต่างๆ

อีกเหตุผลหนึ่ง (อันที่จริงเป็นหนึ่งในเหตุผลหลัก) ว่าทำไมรัฐบาลจึงลงทุนอย่างมากในการพัฒนาซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ยานพาหนะที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นจะช่วยให้ผู้นำทางทหารในอนาคตพัฒนากลยุทธ์การต่อสู้ที่ชัดเจนในทุกสถานการณ์การต่อสู้ ช่วยให้มีการพัฒนาระบบอาวุธที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น และยังสนับสนุนการบังคับใช้กฎหมายและหน่วยงานข่าวกรองในการระบุภัยคุกคามที่อาจเกิดขึ้นล่วงหน้า

พลังไม่เพียงพอสำหรับการจำลองสมอง

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ใหม่ควรช่วยถอดรหัสซูเปอร์คอมพิวเตอร์ตามธรรมชาติที่เรารู้จักมาเป็นเวลานาน นั่นคือ สมองของมนุษย์

ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติได้พัฒนาอัลกอริธึมที่แสดงถึงขั้นตอนใหม่ที่สำคัญในการสร้างแบบจำลองการเชื่อมต่อทางประสาทของสมอง ใหม่ ไม่มีอัลกอริทึมซึ่งอธิบายไว้ในบทความเปิดที่ตีพิมพ์ใน Frontier in Neuroinformatics คาดว่าจะจำลองเซลล์ประสาทสมองของมนุษย์ที่เชื่อมต่อถึงกันจำนวน 100 พันล้านเซลล์บนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ นักวิทยาศาสตร์จากศูนย์วิจัยเยอรมันJülich, มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิตแห่งนอร์เวย์, มหาวิทยาลัยอาเค่น, สถาบัน RIKEN ของญี่ปุ่น และสถาบันเทคโนโลยีแห่ง KTH ในสตอกโฮล์มมีส่วนร่วมในงานนี้

ตั้งแต่ปี 2014 การจำลองโครงข่ายประสาทเทียมขนาดใหญ่ได้ดำเนินการบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ RIKEN และ JUQUEEN ที่ Jülich Supercomputing Center ในเยอรมนี โดยจำลองการเชื่อมต่อของเซลล์ประสาทประมาณ 1% ในสมองของมนุษย์ ทำไมมากมายเพียง? ซูเปอร์คอมพิวเตอร์สามารถจำลองสมองทั้งหมดได้หรือไม่?

Susanne Kunkel จากบริษัทสวีเดน KTH อธิบาย

ระหว่างการจำลอง จะต้องส่งศักยภาพในการทำงานของเซลล์ประสาท (แรงกระตุ้นไฟฟ้าสั้น) ไปให้คนประมาณ 100 คนทั้งหมด คอมพิวเตอร์ขนาดเล็กที่เรียกว่าโหนด แต่ละเครื่องมีโปรเซสเซอร์จำนวนหนึ่งที่ทำการคำนวณจริง แต่ละโหนดจะตรวจสอบว่าแรงกระตุ้นใดที่เกี่ยวข้องกับเซลล์ประสาทเสมือนที่มีอยู่ในโหนดนี้

4. การสร้างแบบจำลองการเชื่อมต่อของสมองของเซลล์ประสาท เช่น เราเป็นเพียงจุดเริ่มต้นของการเดินทาง (1%)

เห็นได้ชัดว่าจำนวนหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ที่โปรเซสเซอร์ต้องการสำหรับบิตเพิ่มเติมต่อเซลล์ประสาทเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นตามขนาดของโครงข่ายประสาทเทียม หากต้องการไปให้ไกลกว่าการจำลอง 1% ของสมองมนุษย์ทั้งหมด (4) จะต้อง หน่วยความจำมากขึ้น XNUMX เท่า มากกว่าที่มีอยู่ในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ทั้งหมดในปัจจุบัน ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะพูดคุยเกี่ยวกับการจำลองสมองทั้งหมดเฉพาะในบริบทของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ exascale ในอนาคตเท่านั้น นี่คือที่ที่อัลกอริทึม NEST รุ่นต่อไปควรทำงาน

TOP-5 ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของโลก

1. Sanway TaihuLight – ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ 93 PFLOPS เปิดตัวในปี 2016 ในเมืองอู๋ซี ประเทศจีน ตั้งแต่เดือนมิถุนายน 2016 เป็นต้นมา ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ติดอันดับท็อป 500 ที่มีกำลังประมวลผลสูงที่สุดในโลก

2. Tianhe-2 (ทางช้างเผือก-2) เป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่มีกำลังการประมวลผล 33,86 PFLOPS ที่สร้างโดย NUDT () ในประเทศจีน ตั้งแต่เดือนมิถุนายน 2013

จนถึงเดือนมิถุนายน 2016 เป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดในโลก

3. Pease Dynt - การออกแบบที่พัฒนาโดย Cray ติดตั้งที่ Swiss National Supercomputing Center () เพิ่งได้รับการอัปเกรด - ตัวเร่งความเร็วของ Nvidia Tesla K20X ถูกแทนที่ด้วยตัวใหม่ Tesla P100 ซึ่งทำให้สามารถเพิ่มพลังการประมวลผลจาก 2017 เป็น 9,8 PFLOPS ในช่วงฤดูร้อนปี 19,6

4. เกียวโค เป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่พัฒนาโดย ExaScaler และ PEZY Computing ตั้งอยู่ที่ Japan Agency for Marine Science and Technology (JAMSTEC) ของ Yokohama Institute of Geosciences; อยู่ชั้นเดียวกับ Earth Simulator กำลังไฟ: 19,14 PFLOPs

5. ไททาเนียม เป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ 17,59 PFLOPS ที่ผลิตโดย Cray Inc. และเปิดตัวในเดือนตุลาคม 2012 ที่ Oak Ridge National Laboratory ในสหรัฐอเมริกา ตั้งแต่เดือนพฤศจิกายน 2012 ถึงมิถุนายน 2013 ไททันเป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดในโลก ปัจจุบันอยู่ในอันดับที่ XNUMX แต่ก็ยังเป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดในสหรัฐฯ

พวกเขายังแข่งขันกันเพื่ออำนาจสูงสุดในควอนตัม

ไอบีเอ็มเชื่อว่าในอีกห้าปีข้างหน้า ไม่ใช่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ใช้ชิปซิลิกอนแบบดั้งเดิม แต่จะเริ่มออกอากาศ อุตสาหกรรมเพิ่งเริ่มเข้าใจว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถใช้งานได้อย่างไร ตามที่นักวิจัยของบริษัทกล่าว วิศวกรคาดว่าจะค้นพบการใช้งานหลักครั้งแรกสำหรับเครื่องจักรเหล่านี้ในเวลาเพียงห้าปี

คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้หน่วยคำนวณที่เรียกว่า kubitem. เซมิคอนดักเตอร์สามัญแสดงข้อมูลในรูปแบบของลำดับ 1 และ 0 ในขณะที่ qubits แสดงคุณสมบัติของควอนตัมและสามารถคำนวณได้พร้อมกันเป็น 1 และ 0 ซึ่งหมายความว่าสอง qubits สามารถแสดงลำดับ 1-0, 1-1, 0-1 ได้พร้อมกัน . ., 0-0. พลังการประมวลผลจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณในทุก ๆ qubit ดังนั้นในทางทฤษฎีแล้ว คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีเพียง 50 qubits สามารถมีพลังในการประมวลผลมากกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดในโลก

ระบบ D-Wave กำลังขายคอมพิวเตอร์ควอนตัมซึ่งมีการกล่าวกันว่ามี 2 เครื่อง คิวบิต อย่างไรก็ตาม สำเนา D-Wave(5) เป็นที่ถกเถียงกัน แม้ว่านักวิจัยบางคนจะนำไปใช้ให้เกิดประโยชน์ แต่ก็ยังไม่ได้มีประสิทธิภาพเหนือกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก และมีประโยชน์สำหรับปัญหาการปรับให้เหมาะสมบางประเภทเท่านั้น

5. คอมพิวเตอร์ควอนตัม D-Wave

ไม่กี่เดือนที่ผ่านมา Google Quantum AI Lab ได้เปิดตัวโปรเซสเซอร์ควอนตัม 72-qubit ใหม่ที่เรียกว่า โคนขนแปรง (6). ในไม่ช้ามันอาจบรรลุ "อำนาจสูงสุดของควอนตัม" โดยการแซงหน้าซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก อย่างน้อยก็ในการแก้ปัญหาบางอย่าง เมื่อตัวประมวลผลควอนตัมแสดงอัตราความผิดพลาดในการทำงานที่ต่ำเพียงพอ มันอาจมีประสิทธิภาพมากกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกที่มีงานด้านไอทีที่กำหนดไว้อย่างดี

6. Bristlecone 72 qubit quantum processor

ลำดับถัดมาคือโปรเซสเซอร์ของ Google เนื่องจากในเดือนมกราคม เช่น Intel ได้ประกาศระบบควอนตัม 49 บิตของตัวเอง และ IBM ก่อนหน้านี้ได้เปิดตัวเวอร์ชัน 50 บิต ชิปอินเทล, Loihiก็เป็นนวัตกรรมในรูปแบบอื่นๆ ด้วยเช่นกัน เป็นวงจรรวม "neuromorphic" แรกที่ออกแบบมาเพื่อเลียนแบบวิธีที่สมองของมนุษย์เรียนรู้และเข้าใจ "ใช้งานได้อย่างสมบูรณ์" และจะพร้อมใช้งานสำหรับพันธมิตรด้านการวิจัยในปลายปีนี้

อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้น เพราะเพื่อที่จะจัดการกับซิลิคอนมอนสเตอร์ได้ คุณต้องมี z ล้านคิวบิต. กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยเทคนิคดัตช์ในเดลฟต์ หวังว่าวิธีการบรรลุระดับดังกล่าวคือการใช้ซิลิกอนในคอมพิวเตอร์ควอนตัม เนื่องจากสมาชิกของพวกเขาได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหาในการใช้ซิลิคอนเพื่อสร้างตัวประมวลผลควอนตัมที่ตั้งโปรแกรมได้

ในการศึกษาของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature ทีมงานชาวดัตช์ควบคุมการหมุนอิเล็กตรอนตัวเดียวโดยใช้พลังงานไมโครเวฟ ในซิลิคอน อิเล็กตรอนจะหมุนขึ้นและลงพร้อมๆ กัน จับเข้าที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อทำสำเร็จแล้ว ทีมงานได้เชื่อมต่ออิเล็กตรอน XNUMX ตัวเข้าด้วยกันและตั้งโปรแกรมให้เรียกใช้อัลกอริธึมควอนตัม

เป็นไปได้ที่จะสร้างบนพื้นฐานของซิลิโคน โปรเซสเซอร์ควอนตัมสองบิต.

ดร. ทอม วัตสัน หนึ่งในผู้เขียนการศึกษานี้ อธิบายให้บีบีซีฟัง หากวัตสันและทีมของเขาสามารถหลอมรวมอิเล็กตรอนได้มากขึ้น ก็อาจนำไปสู่การกบฏได้ โปรเซสเซอร์ qubitสิ่งนี้จะนำเราเข้าใกล้คอมพิวเตอร์ควอนตัมแห่งอนาคตอีกก้าวหนึ่ง

- ใครก็ตามที่สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์จะครองโลก Manas Mukherjee จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติสิงคโปร์และผู้ตรวจสอบหลักของศูนย์เทคโนโลยีควอนตัมแห่งชาติกล่าวในการให้สัมภาษณ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ การแข่งขันระหว่างบริษัทเทคโนโลยีที่ใหญ่ที่สุดและห้องปฏิบัติการวิจัยกำลังมุ่งเน้นไปที่สิ่งที่เรียกว่า อำนาจสูงสุดของควอนตัมจุดที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำการคำนวณได้เกินกว่าที่คอมพิวเตอร์สมัยใหม่จะสามารถทำได้

ตัวอย่างข้างต้นของความสำเร็จของ Google, IBM และ Intel ระบุว่าบริษัทจากสหรัฐอเมริกา (และด้วยเหตุนี้รัฐ) มีอำนาจเหนือกว่าในด้านนี้ อย่างไรก็ตาม Alibaba Cloud ของจีนเพิ่งเปิดตัวแพลตฟอร์มการประมวลผลบนคลาวด์ที่ใช้โปรเซสเซอร์ 11 บิต ซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถทดสอบอัลกอริธึมควอนตัมใหม่ได้ ซึ่งหมายความว่าประเทศจีนในด้านบล็อกการคำนวณควอนตัมยังไม่ครอบคลุมลูกแพร์ด้วยขี้เถ้า

อย่างไรก็ตาม ความพยายามในการสร้างซูเปอร์คอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่เพียงแต่กระตือรือร้นเกี่ยวกับความเป็นไปได้ใหม่ๆ แต่ยังก่อให้เกิดการโต้เถียงอีกด้วย

เมื่อไม่กี่เดือนก่อน ระหว่างการประชุมนานาชาติด้านเทคโนโลยีควอนตัมในมอสโก Alexander Lvovsky (7) จาก Russian Quantum Center ซึ่งเป็นศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Calgary ในแคนาดาด้วย กล่าวว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัม เครื่องมือทำลายล้างโดยไม่ต้องสร้าง

7. ศาสตราจารย์อเล็กซานเดอร์ ลวอฟสกี

เขาหมายถึงอะไร? ประการแรก ความปลอดภัยดิจิทัล ในปัจจุบัน ข้อมูลดิจิทัลที่ละเอียดอ่อนทั้งหมดที่ส่งผ่านอินเทอร์เน็ตได้รับการเข้ารหัสเพื่อปกป้องความเป็นส่วนตัวของผู้มีส่วนได้ส่วนเสีย เราได้เห็นกรณีที่แฮ็กเกอร์สามารถสกัดกั้นข้อมูลนี้โดยการทำลายการเข้ารหัส

ตาม Lvov การปรากฏตัวของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะทำให้อาชญากรไซเบอร์ง่ายขึ้นเท่านั้น ปัจจุบันยังไม่มีเครื่องมือเข้ารหัสใดที่สามารถป้องกันตัวเองจากพลังการประมวลผลของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่แท้จริงได้

เวชระเบียน ข้อมูลทางการเงิน และแม้แต่ความลับของรัฐบาลและองค์กรทางทหารจะพร้อมใช้งานในกระทะ ซึ่งหมายความว่าตามที่ Lvovsky ตั้งข้อสังเกตว่าเทคโนโลยีใหม่อาจคุกคามระเบียบโลกทั้งใบ ผู้เชี่ยวชาญคนอื่นเชื่อว่าความกลัวของรัสเซียนั้นไม่มีมูลความจริง เนื่องจากการสร้างซูเปอร์คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่แท้จริงจะช่วยให้ เริ่มการเข้ารหัสควอนตัมถือว่าทำลายไม่ได้

อีกแนวทางหนึ่ง

นอกจากเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมและการพัฒนาระบบควอนตัมแล้ว ศูนย์ต่างๆ กำลังทำงานเกี่ยวกับวิธีอื่นๆ ในการสร้างซูเปอร์คอมพิวเตอร์แห่งอนาคต

หน่วยงานอเมริกัน DARPA ให้ทุนสนับสนุนศูนย์หกแห่งสำหรับโซลูชันการออกแบบคอมพิวเตอร์ทางเลือก สถาปัตยกรรมที่ใช้ในเครื่องจักรสมัยใหม่เรียกว่าตามอัตภาพ ฟอน นอยมันน์ สถาปัตยกรรมโอ้ เขาอายุเจ็ดสิบปีแล้ว การสนับสนุนจากองค์กรป้องกันประเทศสำหรับนักวิจัยในมหาวิทยาลัยมีจุดมุ่งหมายเพื่อพัฒนาวิธีการที่ชาญฉลาดยิ่งขึ้นในการจัดการข้อมูลจำนวนมากอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน

บัฟเฟอร์และการคำนวณแบบขนาน ต่อไปนี้คือตัวอย่างบางส่วนของวิธีการใหม่ที่ทีมเหล่านี้กำลังดำเนินการอยู่ อื่น ADA () ซึ่งทำให้ง่ายต่อการพัฒนาแอพพลิเคชั่นโดยการแปลงส่วนประกอบ CPU และหน่วยความจำด้วยโมดูลให้เป็นชุดเดียว แทนที่จะจัดการกับปัญหาการเชื่อมต่อบนเมนบอร์ด

ปีที่แล้วทีมนักวิจัยจากสหราชอาณาจักรและรัสเซียประสบความสำเร็จในการพิสูจน์ว่า type "ผงเวทย์มนตร์"ที่พวกเขาประกอบขึ้น แสงและสสาร - เหนือชั้นที่สุดในด้าน "ประสิทธิภาพ" แม้กระทั่งซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุด

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยอังกฤษอย่างเคมบริดจ์ เซาแธมป์ตัน และคาร์ดิฟฟ์ และสถาบัน Russian Skolkovo ได้ใช้อนุภาคควอนตัมที่เรียกว่า โพลาริตันซึ่งสามารถกำหนดเป็นสิ่งที่อยู่ระหว่างแสงกับสสาร นี่เป็นแนวทางใหม่ในการคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์ ตามที่นักวิทยาศาสตร์ระบุ มันสามารถเป็นพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ชนิดใหม่ที่สามารถแก้ปัญหาที่ยังไม่ได้แก้ได้ ในสาขาต่างๆ เช่น ชีววิทยา การเงิน และการเดินทางในอวกาศ ผลการศึกษาได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Materials

โปรดจำไว้ว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันสามารถจัดการกับปัญหาเพียงเล็กน้อยเท่านั้น แม้แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสมมุติฐาน ถ้ามันถูกสร้างขึ้นในที่สุด อย่างดีที่สุดจะให้การเร่งความเร็วกำลังสองสำหรับการแก้ปัญหาที่ซับซ้อนที่สุด ในขณะเดียวกัน ขั้วที่สร้าง "ฝุ่นนางฟ้า" ถูกสร้างขึ้นโดยการเปิดใช้งานชั้นของแกลเลียม สารหนู อินเดียม และอลูมิเนียมด้วยลำแสงเลเซอร์

อิเล็กตรอนในชั้นเหล่านี้จะดูดซับและเปล่งแสงเป็นสีบางสี โพลาริทันเบากว่าอิเล็กตรอนหนึ่งหมื่นเท่าและสามารถเข้าถึงความหนาแน่นเพียงพอที่จะทำให้เกิดสถานะใหม่ของสสารที่เรียกว่า คอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์ (แปด). เฟสควอนตัมของโพลาริทันจะถูกซิงโครไนซ์และสร้างวัตถุควอนตัมขนาดใหญ่เพียงชิ้นเดียว ซึ่งสามารถตรวจจับได้โดยการวัดการเรืองแสงด้วยแสง

8. พล็อตแสดงคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์

ปรากฎว่าในสถานะเฉพาะนี้ โพลาริตันคอนเดนเสทสามารถแก้ปัญหาการปรับให้เหมาะสมที่เรากล่าวถึงเมื่ออธิบายคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าโปรเซสเซอร์ที่ใช้คิวบิต ผู้เขียนการศึกษาอังกฤษ-รัสเซียได้แสดงให้เห็นว่าเมื่อโพลาริตันควบแน่น เฟสควอนตัมของพวกมันจะถูกจัดเรียงในรูปแบบที่สอดคล้องกับค่าต่ำสุดของฟังก์ชันเชิงซ้อน

Prof. ผู้เขียนร่วมของ Nature Materials กล่าวว่า "เรากำลังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการสำรวจศักยภาพของโพลาริตันแปลงสำหรับการแก้ปัญหาที่ซับซ้อน Pavlos Lagoudakis หัวหน้าห้องปฏิบัติการ Hybrid Photonics ที่มหาวิทยาลัยเซาแทมป์ตัน “ขณะนี้เรากำลังขยายขนาดอุปกรณ์ของเราเป็นหลายร้อยโหนดขณะทดสอบพลังการประมวลผลพื้นฐาน”

ในการทดลองเหล่านี้จากโลกแห่งควอนตัมเฟสของแสงและสสารที่ละเอียดอ่อน แม้แต่โปรเซสเซอร์ควอนตัมก็ดูเหมือนจะเป็นอะไรที่งุ่มง่ามและเชื่อมโยงกับความเป็นจริงอย่างแน่นหนา อย่างที่คุณเห็น นักวิทยาศาสตร์ไม่เพียงแต่ทำงานในซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ในวันพรุ่งนี้และเครื่องจักรของวันมะรืนนี้ แต่พวกเขากำลังวางแผนอยู่แล้วว่าจะเกิดอะไรขึ้นในวันมะรืนนี้

เมื่อถึงจุดนี้การไปถึงระดับ exascale จะค่อนข้างท้าทาย จากนั้นคุณจะต้องนึกถึงเหตุการณ์สำคัญถัดไปในระดับความล้มเหลว (9) อย่างที่คุณอาจเดาได้ แค่เพิ่มโปรเซสเซอร์และหน่วยความจำเข้าไปเท่านั้นยังไม่พอ หากเป็นที่เชื่อของนักวิทยาศาสตร์ การบรรลุพลังการประมวลผลอันทรงพลังดังกล่าวจะช่วยให้เราสามารถแก้ปัญหาเมกะโปรเกรสซีฟที่เรารู้จัก เช่น การถอดรหัสมะเร็งหรือการวิเคราะห์ข้อมูลทางดาราศาสตร์

9. อนาคตของซูเปอร์คอมพิวเตอร์

จับคู่คำถามกับคำตอบ

ทำอะไรต่อไป

ในกรณีของคอมพิวเตอร์ควอนตัม มีคำถามว่าควรใช้ทำอะไร ตามสุภาษิตโบราณ คอมพิวเตอร์สามารถแก้ปัญหาที่ไม่มีอยู่จริงได้ ดังนั้นเราควรจะสร้างซุปเปอร์แมชชีนแห่งอนาคตเหล่านี้ก่อน แล้วปัญหาก็จะเกิดขึ้นเอง

คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีประโยชน์ในด้านใดบ้าง

ปัญญาประดิษฐ์. AI () ทำงานบนหลักการเรียนรู้ผ่านประสบการณ์ ซึ่งจะแม่นยำมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อได้รับคำติชม และจนกว่าโปรแกรมคอมพิวเตอร์จะ "ฉลาด" ผลตอบรับจะขึ้นอยู่กับการคำนวณความน่าจะเป็นของตัวเลือกที่เป็นไปได้จำนวนหนึ่ง เรารู้อยู่แล้วว่า ตัวอย่างเช่น Lockheed Martin กำลังวางแผนที่จะใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม D-Wave เพื่อทดสอบซอฟต์แวร์ออโตไพลอตที่ปัจจุบันซับซ้อนเกินไปสำหรับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก และ Google กำลังใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อพัฒนาซอฟต์แวร์ที่สามารถแยกแยะรถยนต์จากจุดสังเกตต่างๆ .

การสร้างแบบจำลองระดับโมเลกุล ต้องขอบคุณคอมพิวเตอร์ควอนตัม จึงสามารถจำลองปฏิกิริยาของโมเลกุลได้อย่างแม่นยำ โดยมองหาการกำหนดค่าที่เหมาะสมที่สุดสำหรับปฏิกิริยาเคมี เคมีควอนตัมซับซ้อนมากจนคอมพิวเตอร์ดิจิทัลสมัยใหม่สามารถวิเคราะห์โมเลกุลที่ง่ายที่สุดได้เท่านั้น ปฏิกิริยาเคมีมีลักษณะเป็นควอนตัม เพราะมันสร้างสถานะควอนตัมที่พันกันสูงซึ่งทับซ้อนกัน ดังนั้นคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่พัฒนาเต็มที่จึงสามารถประเมินกระบวนการที่ซับซ้อนที่สุดได้อย่างง่ายดาย Google มีการพัฒนาในด้านนี้อยู่แล้ว - พวกเขาได้สร้างแบบจำลองโมเลกุลไฮโดรเจน ผลลัพธ์จะเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นตั้งแต่แผงโซลาร์เซลล์ไปจนถึงยา

การเข้ารหัส ระบบรักษาความปลอดภัยในปัจจุบันขึ้นอยู่กับรุ่นหลักที่มีประสิทธิภาพ สิ่งนี้สามารถทำได้ด้วยคอมพิวเตอร์ดิจิทัลโดยพิจารณาจากทุกปัจจัยที่เป็นไปได้ แต่ระยะเวลาที่จำเป็นในการทำเช่นนี้ทำให้ "การทำลายโค้ด" มีค่าใช้จ่ายสูงและทำไม่ได้ ในขณะเดียวกัน คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำได้แบบทวีคูณ มีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องดิจิทัล ซึ่งหมายความว่าวิธีการรักษาความปลอดภัยในปัจจุบันจะล้าสมัยในไม่ช้า นอกจากนี้ยังมีวิธีการเข้ารหัสควอนตัมที่มีแนวโน้มว่าจะได้รับการพัฒนาเพื่อใช้ประโยชน์จากลักษณะทางเดียวของการพัวพันควอนตัม เครือข่ายทั่วเมืองได้แสดงให้เห็นแล้วในหลายประเทศ และนักวิทยาศาสตร์ชาวจีนได้ประกาศเมื่อไม่นานนี้ว่าพวกเขาประสบความสำเร็จในการส่งโฟตอนที่พันกันจากดาวเทียม "ควอนตัม" ที่โคจรไปยังสถานีฐานสามแห่งที่แยกจากกันกลับมายังโลก

การสร้างแบบจำลองทางการเงิน ตลาดสมัยใหม่เป็นหนึ่งในระบบที่ซับซ้อนที่สุดที่มีอยู่ แม้ว่าอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์สำหรับคำอธิบายและการควบคุมจะได้รับการพัฒนา แต่ประสิทธิภาพของกิจกรรมดังกล่าวยังไม่เพียงพออย่างมากเนื่องจากความแตกต่างพื้นฐานระหว่างสาขาวิชาวิทยาศาสตร์: ไม่มีสภาพแวดล้อมควบคุมที่สามารถทำการทดลองได้ เพื่อแก้ปัญหานี้ นักลงทุนและนักวิเคราะห์จึงหันมาใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม ข้อดีอย่างหนึ่งในทันทีคือการสุ่มที่มีอยู่ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นสอดคล้องกับลักษณะสุ่มของตลาดการเงิน นักลงทุนมักต้องการประเมินการกระจายผลลัพธ์ในสถานการณ์ที่สร้างแบบสุ่มจำนวนมาก

พยากรณ์อากาศ. Rodney F. Weiher หัวหน้านักเศรษฐศาสตร์ของ NOAA อ้างว่าเกือบ 30% ของ GDP สหรัฐ (6 ล้านล้านดอลลาร์) ขึ้นอยู่กับสภาพอากาศโดยตรงหรือโดยอ้อม สำหรับการผลิตอาหาร การขนส่ง และการขายปลีก ดังนั้น ความสามารถในการทำนายออร่าได้ดีขึ้นจะมีประโยชน์มากในหลาย ๆ ด้าน ไม่ต้องพูดถึงเวลานานขึ้นสำหรับการป้องกันภัยพิบัติทางธรรมชาติ สำนักงานอุตุนิยมวิทยาแห่งชาติของสหราชอาณาจักรคือสำนักงาน Met ได้เริ่มลงทุนในนวัตกรรมดังกล่าวแล้วเพื่อตอบสนองความต้องการด้านพลังงานและความสามารถในการปรับขนาดซึ่งจะต้องจัดการตั้งแต่ปี 2020 เป็นต้นไป และได้เผยแพร่รายงานเกี่ยวกับความต้องการการประมวลผลแบบ exascale ของตัวเอง

ฟิสิกส์อนุภาค. แบบจำลองทางฟิสิกส์ของอนุภาคของแข็งมักเป็นโซลูชันที่ซับซ้อนและซับซ้อนมากซึ่งต้องใช้เวลาในการคำนวณมากสำหรับการจำลองเชิงตัวเลข สิ่งนี้ทำให้เหมาะสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม และนักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้แล้ว นักวิจัยจาก University of Innsbruck และ Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) เพิ่งใช้ระบบควอนตัมที่ตั้งโปรแกรมได้เพื่อทำการจำลองนี้ ตามสิ่งพิมพ์ใน Nature กลุ่มใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมรุ่นง่าย ๆ ซึ่งไอออนดำเนินการทางตรรกะซึ่งเป็นขั้นตอนพื้นฐานของการคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์ การจำลองแสดงให้เห็นข้อตกลงที่สมบูรณ์กับการทดลองจริงของฟิสิกส์ที่อธิบายไว้ Peter Zoller นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีกล่าวว่า -