Квантовий перевагу. Що отримає переможець гонки суперкомп'ютерів

Гонка петафлопсів

Восени наступного року в Національній лабораторії Оук-Рідж (штат Теннессі) має бути запущено найбільший в США і в світі суперкомп'ютер. Як повідомляє Wired, новий гігант під назвою Summit буде більш ніж в 10 разів могутніше за свого попередника - Titan Oak Ridge, який був введений в дію п'ять років тому. Збірка Summit повинна завершитися зовсім скоро - до кінця жовтня, після чого протягом року суперкомп'ютер буде тестуватися. Titan пропрацює ще рік після запуску Summit, а потім піде в утиль.

Поки ж можна порівняти характеристики двох суперкомп'ютерів. Titan складається з 18,7 тис. вузлів, в кожному з яких знаходиться один CPU (центральний процесор) і один GPU (графічний процесор). Summit повинен обійтися набагато меншим числом вузлів - 4600, але кожен з них складається з двох CPU і шести GPU. Один вузол має обчислювальною потужністю в 40 терафлопсов, що саме по собі чимало, а в сумі вони дадуть 184 петафлопса, тоді як Titan має потужність 17,6 петафлопса (тобто трохи більше одного терафлопса на вузол). Флопс - це кількість операцій з плаваючою комою в секунду. Терафлопс - тисяча мільярдів флопсів, а петафлопс - тисяча терафлопсов, тобто мільйон мільярдів флопсів.

Як і будь-який суперкомп'ютер, Summit розміщується в кабінетах і шафах. З точки зору економіки це досить велике підприємство. Сам Summit споживає 15 МВт електроенергії, а весь будинок, в якому він знаходиться, - 20 МВт. Цього достатньо для живлення 12 тис. будинків із кондиціонерами, тобто невеликого міста. На щастя, Summit підключений до генеруючої компанії Tennessee Valley Authority, яка має в тисячу разів більшою потужністю - 20 ГВт, тому перебої з енергопостачанням суперкомп'ютера, можна сподіватися, не загрожують.

Summit дозволить США повернути собі майку лідера у світовій суперкомпьютерной гонці. Titan протримався в званні самого потужного у світі тільки півроку - вже в червні 2013 р. його обігнав китайський Тяньхэ-2 потужністю 33,9 петафлопса. А через три роки китайці ввели в дію Sunway TaihuLight потужністю 93 петафлопса. Але навіть і на третьому місці Titan не втримався - в листопаді 2016 р. його обігнав швейцарський суперкомп'ютер Piz Daint, чия потужність після апгрейда досягла 19,6 петафлопса.

Існують забобони, що суперкомп'ютери потрібні тільки для якихось надсекретних військових розрахунків. Якщо б це було так, навряд чи на свій Piz Daint витратилися б швейцарці. Насправді ці гіганти цінні перш за все своїм внеском у науку. Наприклад, група дослідників з Цюріхського університету на початку червня повідомила, що вона за допомогою Piz Daint розробила найбільшу модель раннього періоду Всесвіту. Розробка цього проекту велася протягом трьох років.

Але рекорд швейцарців протримався лише півтора місяців - його побили китайці зі своїм Sunway. В кінці липня завідуючий кафедрою обчислювальної космології Національних астрономічних обсерваторій Китайської академії наук Дат Лян розповів, що побудована його командою комп'ютерна модель імітує народження і раннє розширення Всесвіту з використанням 10 трлн цифрових частинок. Це в п'ять разів більше, ніж у астрофізиків Цюріхського університету. І якщо швейцарські вчені витратили на моделювання Всесвіту 80 годин машинного часу, то в Китаї впоралися за годину.

В даний час Китай будує новий високопродуктивний комп'ютер наступного покоління, який буде як мінімум в 10 разів могутніше, ніж Sunway, і в п'ять разів перевершить збирається зараз американський Summit. Планується, що машина буде закінчена до 2019 р. Дат Лян сподівається, що завдяки цьому у астрономів в Китаї буде більше, ніж у їхніх колег в інших країнах, ресурсів для розрахунків, щоб розкривати таємниці Всесвіту.

Комп'ютери з чиплетов

Ще у квітні 2013 р. стало відомо, що інженери PARC (Palo Alto Research Center) - дослідного центру, який належить компанії Xerox, - розробили чиплеты. Ці тонкі кремнієві пластинки розміром не більше піщинки можуть прийти на заміну традиційним мікросхем. Газета The New York Times повідомила, що нова революційна технологія може в кінцевому рахунку стати майбутнім всієї електроніки.

Технологія, названа ксерографической микросборкой, заснована на тих же принципах, що і лазерні принтери, які були винайдені тією ж компанією Xerox ще в 1970-х роках. Суть в тому, що картридж для принтера заповнюється замість чорнила чиплетами, і тоді можна буквально друкувати готові мікросхеми, причому дуже ефективно і швидко. Завдяки фінансуванню Національного наукового фонду та Агентства передових оборонних дослідницьких проектів (DARPA) міноборони США інженери PARC розробили лазерно-принтерную машину, здатну розміщувати десятки або навіть сотні тисяч чиплетов на поверхні в правильному місці і в правильній орієнтації. Таким способом можна створювати набори будь-яких схем як для мікропроцесорів, так і для компонентів пам'яті.

Щоправда, тоді йшлося про те, що нова технологія поки ще перебуває на ранніх стадіях розробки. Але потім PARC хвалився подальшими великими успіхами в реалізації своєї ідеї, а в березні 2016 р. повідомив про укладення контракту з DARPA на створення микросборочного принтера, де "чорнило" повинні представляти собою нанофункциональные частинки мікрометричного розміру, а друкуються "зображення" - міліметрові і більш великі збірки. У створенні принтера центру допомагають Університет Джонса Хопкінса і Університет штату Меріленд, а в створенні наночернил - Бостонський університет, Університет Нотр-Дам і HRL Laboratories.

Незабаром у цій історії з'явився ще один сюжет. Фахівцям DARPA настільки сподобалася ідея чиплетов, що вони вирішили використовувати їх для створення модульних комп'ютерів. У вересні 2016 р. були підготовлені відповідні пропозиції, і вже в серпні 2017-го агентство оголосив на своєму сайті, що воно має намір з допомогою чиплетов "дати поштовх революції в мікроелектроніці".

Правда, поки неясно, яких розмірів і якої форми будуть ці чиплеты, де і як з них будуть збиратися більш великі компоненти, а з тих - комп'ютер. Не виключено, що в підсумку компоненти будуть достатньо великими, щоб їх можна було змінювати руками, за подобою заміни планок оперативної пам'яті. Але цілком може статися, що компоненти, як і чиплеты, можна буде змінювати лише в центрах обслуговування, які володіють необхідною апаратурою. Все залежить від фахівців, які допоможуть агентству втілити його бажання в життя.

І як раз на фахівців агентство не поскупилася. Займатися проектом на гроші DARPA буде ціла дюжина генеральних підрядників, у тому числі найбільші оборонні компанії (Lockheed Martin, Northrop Grumman і Boeing), провідні компанії мікроелектроніки (Intel, Micron і Cadence Design Systems), інші розробники напівпровідникових пристроїв (Synopsys, Intrinsix Corp. і Jariet Technologies), університетські команди (Мічиганський університет, Технологічний інститут Джорджії і Державний університет Північної Кароліни).

Як зазначає сайт TechCrunch, в будь-якому випадку повинна вийти система більш гнучка, ніж та, до якої ми всі звикли. У підсумку електроніка значно зменшиться в розмірах, що стане більш приспособляемой до потреб споживача і притому більш дешевої у виробництві. Враховуючи, що багато військові комп'ютерні системи безнадійно застаріли, перехід на чиплеты дозволить Пентагону радикально оновити свій арсенал електроніки. А за військовими, можна припустити, настане черга і цивільних користувачів.

Комп'ютери, що наслідують мозку

Дослідники Каліфорнійського інституту наносистем (CNSI) при Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі (UCLA) у вересні поділилися планами створити комп'ютер, який зможе зрівнятися з обчислювальної та енергетичною ефективністю людського мозку. Вони вважають, що такі пристрої можуть бути краще традиційних комп'ютерів при моделюванні складних процесів, пише Quanta Magazin.

На відміну від звичайних комп'ютерів, заснованих на кремнієвих мікросхем, експериментальна версія нового пристрою являє собою сітку з срібла розміром два на два міліметри, з'єднану штучними синапсами. За словами заступника директора CNSI Адама Стіга, це перший пристрій, "генеруюче властивості, які дозволяють мозку робити те, що він робить".

Професор хімії UCLA Джим Гимжевски, який веде цей проект разом зі Стігом, пояснює, що традиційні комп'ютери моделюють ситуації за допомогою рівнянь, які часто лише наближено описують складні явища. А нейроморфные мережі змінюють свою власну структуру у відповідності з тим, що вони моделюють. Причому вони можуть здійснювати десятки тисяч коливань в секунду і тому здатні моделювати дуже швидкі процеси. "Ми використовуємо систему для розуміння складних явищ", - підкреслює Гимжевски.

Дійсно, по складності срібна сітчаста структура нагадує мозок. Вона має 10 млн штучних синапсів на квадратний міліметр. Попередні експерименти показують, що новий пристрій володіє великим функціональним потенціалом. Вже сьогодні воно може, наприклад, очищати вхідні сигнали від сторонніх шумів, що важливо для розпізнавання голосу і рішення інших подібних завдань, з якими погано справляються звичайні комп'ютери.

Іншим шляхом пішла дослідницька команда на чолі з професором Оксфордського університету (Великобританія) Харишем Бхаскараном. Наприкінці вересня вона повідомила, що вже розробила нейроморфный комп'ютер, в якому роль синапсів виконує світло. Вчені запевняють, що змогли не тільки розробити архітектуру комп'ютера, що імітує мозок, але і задіяти оптичні технології, що дають значну перевагу в швидкості і потужності.

Квантові комп'ютери

Глава Microsoft Сатья Наделла у своїй новій книзі Hit Refresh порівняв гонку квантових технологій з гонкою озброєнь між країнами. Не дивно прагнення Microsoft завоювати домінуюче становище на цьому ринку, хоча його ще, по суті, не існує. Квантові комп'ютери входять у число трьох головних технологій, що становлять основу стратегії розвитку Microsoft, поряд із системами на основі штучного інтелекту і пристроями доповненої реальності.

У вересні компанія заявила, що вона вже розробила мову програмування для створення квантових додатків для смартфонів та персональних комп'ютерів на базі Windows і інших платформ. До кінця року він буде доступний в лінійці інструментів Visual Studio. З допомогою нової мови програмісти зможуть протестувати свій код на спеціальному квантовому симуляторі.

Також Microsoft планує розробити комерційний квантовий комп'ютер. Компанія вже 12 років працює над власною технологією формування кубітів - базових складових квантового комп'ютера. Microsoft анонсує, що її спосіб буде більш надійним і стійким, ніж у інших. Але поки що компанія не представила своїх кубітів, на відміну від конкурентів, які вже розгорнули кубитную гонку.

Завдяки використанню квантових ефектів потужність квантових комп'ютерів подвоюється з кожним новим кубитом, і прогнозується, що вони зможуть в тисячі разів перевершити по потужності сучасні суперкомп'ютери. Ці пристрої будуть здатні моделювати найскладніші процеси в мікросвіті, в тому числі хімічні реакції, що дозволить дуже швидко створювати нові ліки. Також перед квантовими комп'ютерами виявляться безсилими багато сучасні алгоритми криптобезопасности.

У липні вчені з Гарвардського університету (США) оголосили про створення комп'ютера з чіпом в 51 кубіт. В якості кубітів використані так звані холодні атоми, утримувані лазерами і охолоджені до наднизьких температур. Вчені стверджують, що їм вже вдалося вирішити з допомогою свого пристрою ряд складних проблем, недоступних навіть суперкомпьютерам. Автори проекту наводять розрахунок моделі поведінки великої хмари частинок, пов'язаних між собою. З новими потужностями їм вдалося виявити раніше невідомі ефекти, що виникають всередині такого хмари. Тепер гарвардська команда будує плани запустити на 51-кубитном комп'ютері квантовий алгоритм Шора, який теоретично дозволяє зламати більшість існуючих систем шифрування на базі алгоритму RSA.

Дослідницька команда Google в 2015 р. створила чіп з дев'ятьма кубітами, а в квітні 2017-го заявила про плани випробувати до кінця року 49-кубитный чіп. Його продуктивність вона збирається перевірити, зіставивши свій винахід з одним із найпотужніших суперкомп'ютерів світу у змаганні на швидкість.

Крім того, в травні глава підрозділу Google по квантовим апаратних засобів Джон Мартинис повідомив, що Google вже тестує 22-кубитный чіп. А днями газета The Wall Street Journal розповіла, що цей 22-кубитный чіп почне обчислення складної задачі, рішення якої зайняло б на класичному комп'ютері мільярди років. Успіх буде означати наступ квантового переваги - так ентузіасти називають той довгоочікуваний переломний момент, коли квантовий комп'ютер зробить те, що раніше вважалося принципово неможливим.

Якщо Google перша продемонструє квантове перевагу і доведе, що кубіти краще звичайних бітів, це буде великий науковий прорив, впевнений New Scientist. За повідомленням Bloomberg, компанія вже обіцяє дати науковим лабораторіям і дослідникам штучного інтелекту доступ до свого квантовим комп'ютера через хмару. Google сподівається таким чином стимулювати розробку інструментів і додатків для цієї технології і перетворити її в швидкий і потужний хмарний сервіс, який буде давати дохід.

Корпорація IBM в березні представила квантовий комп'ютер IBM Q на 17 кубітах і оголосила про намір у найближчі кілька років створити комерційний квантовий комп'ютер c 50 кубітами. У травні корпорація повідомила, що кільком компаніям буде продано час обчислень в IBM Q через хмарний доступ для вирішення бізнес-завдань. А у вересні стало відомо, що квантовий комп'ютер IBM, використовуючи всього лише шість кубітів, створив точну модель трехатомной молекули.

Число учасників кубитной гонки множиться з кожним роком. У червні стартап Rigetti Computing заявив, що він створив чіп з восьми кубітів на основі кремнію і має намір у наступному році пред'явити 20 - або навіть 50-кубитный чіп. Rigetti вже розробив масштабовану архітектуру квантової інтегральної схеми Fab-1 і збирається налагодити її комерційний випуск.

10 жовтня компанія Intel представила робочий 17-кубитный чіп, підкресливши, що вона застосувала ряд інновацій в архітектурі пристрою. "Теоретично ми вже можемо створити чіп з мільйоном кубітів. Але у нас ще немає надійних і ефективних технологій управління ними в такій кількості", - заявила компанія.

Фотонна досконалість

Квантові комп'ютери, що використовують кубіти на основі масивних частинок (атомів, іонів, атомних ядер і т. п.), - це ще не межа досконалості. Принаймні так запевняють розробники оптичних комп'ютерів, у яких функцію кубітів повинні виконувати кванти світла - безмассовые фотони, які передають інформацію з максимально можливою швидкістю. Над цими пристроями працюють команди вчених в різних країнах і такі лідери IT-галузі, як IBM і Intel.

Однак швидкість фотонів є і їх проблемою, адже отримувати і обробляти інформацію, що рухається так швидко, дуже складно. У вересні вчені Сіднейського університету оголосили, що вони знайшли вихід: за допомогою Центру лазерної фізики Австралійського національного університету створили комп'ютерний чіп, який перетворює інформацію, закодовану у світлі, в звукові хвилі і назад.

"Щоб комп'ютери на основі світла стали комерційної реальністю, фотонні дані на чіпі треба сповільнювати, щоб їх можна було обробляти, маршрутизувати, зберігати і отримувати до них доступ", - пояснив один з авторів винаходу Моріц Меркляйн. Створений чіп саме це і забезпечує: у ньому інформація у вигляді світла трансформується в звук і тим самим сповільнюється майже в мільйон разів. В результаті вона затримується в чіпі на 10 наносекунд - досить довго для її отримання та обробки.

Незабаром про інший спосіб вирішення тієї ж проблеми оголосили вчені з Єльського університету (США). Вони створили простий пристрій, за допомогою якого кубіт може обмінюватися енергією та інформацією з високочастотним об'ємним акустичним хвильовим резонатором.

Пристрій складається з атома-кубіта і механічного резонатора у вигляді сапфіровою пластини, у якої є дві відполіровані поверхні, службовці дзеркалами для звукових хвиль. "Ми виявили, що навіть одна квантова частинка звуку - фонон - може існувати довгий час, якщо відскакує туди-сюди від цих дзеркал, - пояснює керівниця проекту Йивэнь Чу. - Також цей фонон можна пов'язати з кубитом, створеним на поверхні сапфіра. Кубіт перетворюють акустичну енергію в електромагнітну і назад".

Тим часом співробітники Каліфорнійського технологічного інституту стали першими, кому вдалося створити мікропроцесор, здатний зберігати квантову інформацію у фотонних кубітах. Мікросхема містить масив модулів пам'яті розміром 15 на 0,7 мікрометра. Кожен модуль включає в себе оптичний елемент, що вловлює і утримує фотон всередині. Стаття з описом винаходу вийшла в журналі Science в кінці серпня.

Серйозних успіхів у розробці оптичних комп'ютерів і домігся Китай. У травні в Шанхайському інституті перспективних досліджень Університету науки і технологій Китаю оголосили про плани до кінця року навчитися маніпулювати 20 заплутаними фотонами і запустити платформу квантових хмарних обчислень.

І зовсім фантастичну новину повідомили дослідники з Токійського університету Акіра Фурусава і Шунтаро Такеда. За їх словами, вони знайшли "остаточний" спосіб зробити оптичні комп'ютери неймовірно потужними, збільшивши число оброблюваних фотонних кубітів до мільйона. Свій винахід вони описали в статті, яка вийшла у вересні в американському журналі Physical Review Letters. Тепер вони збираються перевести свою теорію в робочу модель. "Ми вирішили всі проблеми, крім однієї: як створити схему, яка буде автоматично виправляти помилки обчислення", - заявив Фурусава.

Якщо цей оптичний комп'ютер буде працювати так, як анонсували творці, зазначає сайт Futurism, то це дійсно буде "остаточний" метод квантових обчислень. І додамо його можна по праву назвати "винаходом століття". Втім, навіть якщо у японських вчених щось не заладиться, напевно успіх прийде якийсь з інших команд.

Суперпамятью для комп'ютерів може служити ДНК

У пошуках нової бази для комп'ютерів вчені дійшли навіть до ДНК. Адже якщо там записана програма створення цілого організму разом з програмою копіювання самої ДНК, то чому б не пристосувати цей природний чіп для аналізу великих обсягів інформації. Учені з Манчестерського університету під керівництвом професора Росса Кінга вже створили на основі ДНК-комп'ютер, здатний виконувати безліч обчислень одночасно без обмежень.

"Уявіть собі комп'ютер, який шукає шляху в лабіринті. В якийсь момент він стикається з вибором, куди піти далі - вправо або вліво, - говорить професор Кінг. - Йому доводиться прийняти рішення, який шлях пройти першим. А комп'ютера, заснованому на ДНК, не потрібно вибирати - він копіює сам себе і вивчає обидва шляхи одночасно, що значно прискорює процес пошуку відповіді".

У цьому напрямку досягли успіху і вчені з Колумбійського університету в Нью-Йорку: їм вдалося зберегти на ДНК операційну систему, фільм і інші файли. Однак подібні технології поки не виходять за межі лабораторій - їх вартість залишається одним з перешкод. Нью-йоркські дослідники витратили $7 тис., щоб синтезувати ДНК, яку вони використали для архівування 2 мегабайт даних, і ще $2 тис., щоб потім прочитати цю інформацію.

Днями група вчених Microsoft Research встановила новий рекорд: вона зуміла записати в ДНК композиції Tutu джазмена Майлса Девіса і Smoke on the Water рок-групи Deep Purple в живому виконанні, після чого відтворила їх зі стовідсотковою точністю. "В обсязі ДНК розміром з кінчик олівця може зберігатися близько 10 терабайт даних, що еквівалентно пам'яті 600 стандартних смартфонів, а вся цифрова інформація світу зможе поміститися приблизно в дев'яти літрах цього біологічного матеріалу", - підрахували дослідники з Microsoft.