Квантовое превосходство. Что получит победитель гонки суперкомпьютеров

Гонка петафлопсов

Осенью следующего года в Национальной лаборатории Оук-Ридж (штат Теннесси) должен быть запущен крупнейший в США и в мире суперкомпьютер. Как сообщает Wired, новый гигант под названием Summit будет более чем в 10 раз мощнее своего предшественника - Titan Oak Ridge, который был введен в строй пять лет назад. Сборка Summit должна завершиться совсем скоро - к концу октября, после чего в течение года суперкомпьютер будет тестироваться. Titan проработает еще год после запуска Summit, а затем уйдет в утиль.

Пока же можно сравнить характеристики двух суперкомпьютеров. Titan состоит из 18,7 тыс. узлов, в каждом из которых находится один CPU (центральный процессор) и один GPU (графический процессор). Summit должен обойтись гораздо меньшим числом узлов - 4600, но каждый из них состоит из двух CPU и шести GPU. Один узел обладает вычислительной мощностью в 40 терафлопсов, что само по себе немало, а в сумме они дадут 184 петафлопса, тогда как Titan имеет мощность 17,6 петафлопса (т. е. немногим более одного терафлопса на узел). Флопс - это количество операций с плавающей запятой в секунду. Терафлопс - тысяча миллиардов флопсов, а петафлопс - тысяча терафлопсов, то есть миллион миллиардов флопсов.

Как и любой суперкомпьютер, Summit размещается в кабинетах и шкафах. С точки зрения экономики это весьма крупное предприятие. Сам Summit потребляет 15 МВт электроэнергии, а все здание, в котором он находится, - 20 МВт. Этого достаточно для питания 12 тыс. домов с кондиционерами, то есть небольшого города. К счастью, Summit подключен к генерирующей компании Tennessee Valley Authority, которая обладает в тысячу раз большей мощностью - 20 ГВт, поэтому перебои с энергоснабжением суперкомпьютеру, можно надеяться, не грозят.

Summit позволит США вернуть себе майку лидера в мировой суперкомпьютерной гонке. Titan продержался в звании самого мощного в мире только полгода - уже в июне 2013 г. его обогнал китайский Тяньхэ-2 мощностью 33,9 петафлопса. А через три года китайцы ввели в строй Sunway TaihuLight мощностью 93 петафлопса. Но даже и на третьем месте Titan не удержался - в ноябре 2016 г. его обогнал швейцарский суперкомпьютер Piz Daint, чья мощность после апгрейда достигла 19,6 петафлопса.

Бытуют предрассудки, что суперкомпьютеры нужны только для каких-то сверхсекретных военных расчетов. Если бы это было так, вряд ли на свой Piz Daint потратились бы швейцарцы. На самом деле эти гиганты ценны прежде всего своим вкладом в науку. Например, группа исследователей из Цюрихского университета в начале июня сообщила, что она при помощи Piz Daint разработала самую большую модель раннего периода Вселенной. Разработка этого проекта велась в течение трех лет.

Но рекорд швейцарцев продержался лишь полтора месяцев - его побили китайцы со своим Sunway. В конце июля завкафедрой вычислительной космологии Национальных астрономических обсерваторий Китайской академии наук Гао Лян рассказал, что построенная его командой компьютерная модель имитирует рождение и раннее расширение Вселенной с использованием 10 трлн цифровых частиц. Это в пять раз больше, чем у астрофизиков Цюрихского университета. И если швейцарские ученые потратили на моделирование Вселенной 80 часов машинного времени, то в Китае справились за час.

В настоящее время Китай строит новый высокопроизводительный компьютер следующего поколения, который будет как минимум в 10 раз мощнее, чем Sunway, и в пять раз превзойдет собираемый сейчас американский Summit. Планируется, что машина будет закончена в 2019 г. Гао Лян надеется, что благодаря этому у астрономов в Китае будет больше, чем у их коллег в других странах, ресурсов для расчетов, чтобы раскрывать тайны Вселенной.

Компьютеры из чиплетов

Еще в апреле 2013 г. стало известно, что инженеры PARC (Palo Alto Research Center) - исследовательского центра, принадлежащего компании Xerox, - разработали чиплеты. Эти тонкие кремниевые пластинки размером не больше песчинки могут прийти на замену традиционным микросхемам. Газета The New York Times сообщила, что новая революционная технология может в конечном счете стать будущим всей электроники.

Технология, названная ксерографической микросборкой, основана на тех же принципах работы, что и лазерные принтеры, которые были изобретены той же компанией Xerox еще в 1970-х годах. Суть в том, что картридж для принтера заполняется вместо чернил чиплетами, и тогда можно буквально печатать готовые микросхемы, причем очень эффективно и быстро. Благодаря финансированию Национального научного фонда и Агентства передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA) минобороны США инженеры PARC разработали лазерно-принтерную машину, способную размещать десятки или даже сотни тысяч чиплетов на поверхности в точно правильном месте и в правильной ориентации. Таким способом можно создавать наборы любых схем как для микропроцессоров, так и для компонентов памяти.

Правда, тогда шла речь о том, что новая технология пока еще находится на ранних стадиях разработки. Но затем PARC хвастался дальнейшими большими успехами в реализации своей идеи, а в марте 2016 г. сообщил о заключении контракта с DARPA на создание микросборочного принтера, где "чернила" должны представлять собой нанофункциональные частицы микрометрического размера, а печатаемые "изображения" - миллиметровые и более крупные сборки. В создании принтера центру помогают Университет Джонса Хопкинса и Университет штата Мэриленд, а в создании наночернил - Бостонский университет, Университет Нотр-Дам и HRL Laboratories.

Вскоре у этой истории появился еще один сюжет. Специалистам DARPA настолько понравилась идея чиплетов, что они решили использовать их для создания модульных компьютеров. В сентябре 2016 г. были подготовлены соответствующие предложения, и уже в августе 2017-го агентство объявило на своем сайте, что оно намерено с помощью чиплетов "дать толчок революции в микроэлектронике".

Правда, пока неясно, каких размеров и какой формы будут эти чиплеты, где и как из них будут собираться более крупные компоненты, а из тех - компьютер. Не исключено, что в итоге компоненты будут достаточно большими, чтобы их можно было менять руками, по подобию замены планок оперативной памяти. Но вполне может статься, что компоненты, как и чиплеты, можно будет менять лишь в центрах обслуживания, располагающих необходимой аппаратурой. Все зависит от специалистов, которые помогут агентству воплотить его желания в жизнь.

И как раз на специалистов агентство не поскупилось. Заниматься проектом на деньги DARPA будет целая дюжина генеральных подрядчиков, в том числе крупнейшие оборонные компании (Lockheed Martin, Northrop Grumman и Boeing), ведущие компании микроэлектроники (Intel, Micron и Cadence Design Systems), другие разработчики полупроводниковых устройств (Synopsys, Intrinsix Corp. и Jariet Technologies), университетские команды (Мичиганский университет, Технологический институт Джорджии и Государственный университет Северной Каролины).

Как отмечает сайт TechCrunch, в любом случае должна получиться система куда более гибкая, чем та, к которой мы все привыкли. В итоге электроника значительно уменьшится в размерах, станет более приспособляемой к нуждам потребителя и притом более дешевой в производстве. Учитывая, что многие военные компьютерные системы безнадежно устарели, переход на чиплеты позволит Пентагону радикально обновить свой арсенал электроники. А за военными, можно предположить, наступит черед и гражданских пользователей.

Компьютеры, подражающие мозгу

Исследователи Калифорнийского института наносистем (CNSI) при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA) в сентябре поделились планами создать компьютер, который сможет сравниться с вычислительной и энергетической эффективностью человеческого мозга. Они считают, что такие устройства могут быть лучше традиционных компьютеров при моделировании сложных процессов, пишет Quanta Magazin.

В отличие от обычных компьютеров, основанных на кремниевых микросхемах, экспериментальная версия нового устройства представляет собой сетку из серебра размером два на два миллиметра, соединенную искусственными синапсами. По словам заместителя директора CNSI Адама Стига, это первое устройство, "генерирующее свойства, которые позволяют мозгу делать то, что он делает".

Профессор химии UCLA Джим Гимжевски, который ведет этот проект вместе со Стигом, поясняет, что традиционные компьютеры моделируют ситуации с помощью уравнений, которые зачастую только приближенно описывают сложные явления. А нейроморфные сети меняют свою собственную структуру в соответствии с тем, что они моделируют. Причем они могут совершать десятки тысяч колебаний в секунду и потому способны моделировать очень быстрые процессы. "Мы используем сложную систему для понимания сложных явлений", - подчеркивает Гимжевски.

Действительно, по сложности серебряная сетчатая структура напоминает мозг. Она имеет 10 млн искусственных синапсов на квадратный миллиметр. Предварительные эксперименты показывают, что новое устройство обладает большим функциональным потенциалом. Уже сегодня оно может, например, очищать входящие сигналы от посторонних шумов, что важно для распознавания голоса и решения других подобных задач, с которыми плохо справляются обычные компьютеры.

Другим путем пошла исследовательская команда во главе с профессором Оксфордского университета (Великобритания) Харишем Бхаскараном. В конце сентября она сообщила, что уже разработала нейроморфный компьютер, в котором роль синапсов выполняет свет. Ученые уверяют, что смогли не только разработать архитектуру компьютера, имитирующую мозг, но и задействовать оптические технологии, дающие значительное преимущество в скорости и мощности.

Квантовые компьютеры

Глава Microsoft Сатья Наделла в своей новой книге Hit Refresh сравнил гонку квантовых технологий с гонкой вооружений между странами. Неудивительно стремление Microsoft завоевать доминирующее положение на этом рынке, хотя его еще, по сути, не существует. Квантовые компьютеры входят в число трех главных технологий, составляющих основу стратегии развития Microsoft, наряду с системами на основе искусственного интеллекта и устройствами дополненной реальности.

В сентябре компания заявила, что она уже разработала язык программирования для создания квантовых приложений для смартфонов и персональных компьютеров на базе Windows и других платформ. К концу года он будет доступен в линейке инструментов Visual Studio. С помощью нового языка программисты смогут протестировать свой код на специальном квантовом симуляторе.

Также Microsoft планирует разработать коммерческий квантовый компьютер. Компания уже 12 лет работает над собственной технологией формирования кубитов - базовых составляющих квантового компьютера. Microsoft анонсирует, что ее способ будет более надежным и устойчивым, чем у других. Но пока что компания не представила своих кубитов, в отличие от конкурентов, которые уже развернули кубитную гонку.

Благодаря использованию квантовых эффектов мощность квантовых компьютеров удваивается с каждым новым кубитом, и прогнозируется, что они смогут в тысячи раз превзойти по мощности современные суперкомпьютеры. Эти устройства будут способны моделировать самые сложные процессы в микромире, в том числе химические реакции, что позволит очень быстро создавать новые лекарства. Также перед квантовыми компьютерами окажутся бессильными многие современные алгоритмы криптобезопасности.

В июле ученые из Гарвардского университета (США) объявили о создании компьютера с чипом в 51 кубит. В качестве кубитов использованы так называемые холодные атомы, удерживаемые лазерами и охлажденные до сверхнизких температур. Ученые утверждают, что им уже удалось решить с помощью своего устройства ряд сложнейших проблем, недоступных даже суперкомпьютерам. Авторы проекта приводят в пример расчет модели поведения большого облака частиц, связанных между собой. С новыми мощностями им удалось обнаружить ранее неизвестные эффекты, возникающие внутри такого облака. Теперь гарвардская команда строит планы запустить на 51-кубитном компьютере квантовый алгоритм Шора, который теоретически позволяет взломать большинство существующих систем шифрования на базе алгоритма RSA.

Исследовательская команда Google в 2015 г. создала чип с девятью кубитами, а в апреле 2017-го заявила о планах испытать к концу года 49-кубитный чип. Его производительность она собирается проверить, сопоставив свое изобретение с одним из самых мощных суперкомпьютеров мира в соревновании на скорость.

Кроме того, в мае глава подразделения Google по квантовым аппаратным средствам Джон Мартинис сообщил, что Google уже тестирует 22-кубитный чип. А на днях газета The Wall Street Journal рассказала, что этот 22-кубитный чип начнет вычисление сложнейшей задачи, решение которой заняло бы на классическом компьютере миллиарды лет. Успех будет означать наступление квантового превосходства - так энтузиасты называют тот долгожданный переломный момент, когда квантовый компьютер сделает то, что раньше считалось принципиально невозможным.

Если Google первая продемонстрирует квантовое превосходство и докажет, что кубиты лучше обычных битов, это будет крупный научный прорыв, уверен New Scientist. По сообщению Bloomberg, компания уже обещает дать научным лабораториям и исследователям искусственного интеллекта доступ к своему квантовому компьютеру через облако. Google надеется таким образом стимулировать разработку инструментов и приложений для этой технологии и превратить ее в быстрый и мощный облачный сервис, который будет давать доход.

Корпорация IBM в марте представила квантовый компьютер IBM Q на 17 кубитах и объявила о намерении в ближайшие несколько лет создать коммерческий квантовый компьютер c 50 кубитами. В мае корпорация сообщила, что нескольким компаниям будет продано время вычислений в IBM Q через облачный доступ для решения бизнес-задач. А в сентябре стало известно, что квантовый компьютер IBM, используя всего лишь шесть кубитов, создал точную модель трехатомной молекулы.

Число участников кубитной гонки множится с каждым годом. В июне стартап Rigetti Computing заявил, что он создал чип из восьми кубитов на основе кремния и намерен в следующем году предъявить 20- или даже 50-кубитный чип. Rigetti уже разработал масштабируемую архитектуру квантовой интегральной схемы Fab-1 и собирается наладить ее коммерческий выпуск.

10 октября компания Intel представила рабочий 17-кубитный чип, подчеркнув, что она применила ряд инноваций в архитектуре устройства. "Теоретически мы уже можем создать чип с миллионом кубитов. Но у нас еще нет надежных и эффективных технологий управления ими в таком количестве", - заявила компания.

Фотонное совершенство

Квантовые компьютеры, использующие кубиты на основе массивных частиц (атомов, ионов, атомных ядер и т. п.), - это еще не предел совершенства. По крайней мере так уверяют разработчики оптических компьютеров, в которых функцию кубитов должны выполнять кванты света - безмассовые фотоны, передающие информацию с максимально возможной скоростью. Над этими устройствами работают команды ученых в разных странах и такие лидеры IT-отрасли, как IBM и Intel.

Однако скорость фотонов является и их проблемой, ведь извлекать и обрабатывать информацию, движущуюся столь быстро, очень сложно. В сентябре ученые Сиднейского университета объявили, что они нашли выход: при помощи Центра лазерной физики Австралийского национального университета создали компьютерный чип, который преобразует информацию, закодированную в свете, в звуковые волны и обратно.

"Чтобы компьютеры на основе света стали коммерческой реальностью, фотонные данные на чипе нужно замедлять, чтобы их можно было обрабатывать, маршрутизировать, хранить и получать к ним доступ", - пояснил один из авторов изобретения Мориц Меркляйн. Созданный чип именно это и обеспечивает: в нем информация в виде света трансформируется в звук и тем самым замедляется почти в миллион раз. В результате она задерживается в чипе на 10 наносекунд - достаточно долго для ее извлечения и обработки.

Вскоре о другом способе решения той же проблемы объявили ученые из Йельского университета (США). Они создали простое устройство, посредством которого кубит может обмениваться энергией и информацией с высокочастотным объемным акустическим волновым резонатором.

Устройство состоит из атома-кубита и механического резонатора в виде сапфировой пластины, у которой есть две отполированные поверхности, служащие зеркалами для звуковых волн. "Мы обнаружили, что даже одна квантовая частица звука - фонон - может существовать очень долгое время, если отскакивает туда-сюда от этих зеркал, - объясняет руководительница проекта Йивэнь Чу. - Также этот фонон можно связать с кубитом, созданным на поверхности сапфира. Кубит превращает акустическую энергию в электромагнитную и обратно".

Тем временем сотрудники Калифорнийского технологического института стали первыми, кому удалось создать микропроцессор, способный хранить квантовую информацию в фотонных кубитах. Микросхема содержит массив модулей памяти размером 15 на 0,7 микрометра. Каждый модуль включает в себя оптический элемент, улавливающий и удерживающий фотон внутри. Статья с описанием изобретения вышла в журнале Science в конце августа.

Серьезных успехов в разработке оптических компьютеров добился и Китай. В мае в Шанхайском институте перспективных исследований Университета науки и технологий Китая объявили о планах к концу года научиться манипулировать 20 запутанными фотонами и запустить платформу квантовых облачных вычислений.

И совсем фантастическую новость сообщили исследователи из Токийского университета Акира Фурусава и Шунтаро Такеда. По их словам, они нашли "окончательный" способ сделать оптические компьютеры невероятно мощными, увеличив число обрабатываемых фотонных кубитов до миллиона. Свое изобретение они описали в статье, которая вышла в сентябре в американском журнале Physical Review Letters. Теперь они собираются перевести свою теорию в рабочую модель. "Мы разрешили все проблемы, кроме одной: как создать схему, которая будет автоматически исправлять ошибки вычисления", - заявил Фурусава.

Если этот оптический компьютер действительно будет работать так, как анонсировали создатели, отмечает сайт Futurism, то это действительно будет "окончательный" метод квантовых вычислений. И добавим, его можно будет по праву назвать "изобретением века". Впрочем, даже если у японских ученых что-то не заладится, наверняка успех придет какой-то из других команд.

Суперпамятью для компьютеров может служить ДНК

В поисках новой базы для компьютеров ученые дошли даже до ДНК. Ведь если там записана программа создания целого организма вместе с программой копирования самой ДНК, то почему бы не приспособить этот природный чип для анализа больших объемов информации. Ученые из Манчестерского университета под руководством профессора Росса Кинга уже создали на основе ДНК компьютер, способный выполнять множество вычислений одновременно без ограничений.

"Представьте себе компьютер, который ищет пути в лабиринте. В какой-то момент он сталкивается с выбором, куда пойти дальше - вправо или влево, - говорит профессор Кинг. - Ему приходится принять решение, какой путь пройти первым. А компьютеру, основанному на ДНК, не нужно выбирать - он копирует сам себя и изучает оба пути одновременно, что значительно ускоряет процесс поиска ответа".

В этом направлении добились успеха и ученые из Колумбийского университета в Нью-Йорке: им удалось сохранить на ДНК операционную систему, фильм и другие файлы. Однако подобные технологии пока не выходят за рамки лабораторий - их стоимость остается одним из препятствий. Нью-йоркские исследователи потратили $7 тыс., чтобы синтезировать ДНК, которую они использовали для архивирования 2 мегабайт данных, и еще $2 тыс., чтобы затем прочитать эту информацию.

На днях группа ученых Microsoft Research установила новый рекорд: она сумела записать в ДНК композиции Tutu джазмена Майлса Дэвиса и Smoke on the Water рок-группы Deep Purple в живом исполнении, после чего воспроизвела их со стопроцентной точностью. "В объеме ДНК размером с кончик карандаша может храниться около 10 терабайт данных, что эквивалентно памяти 600 стандартных смартфонов, а вся цифровая информация мира сможет поместиться примерно в девяти литрах этого биологического материала", - подсчитали исследователи из Microsoft.