Edmund Richardson
0 
3929
515
История вычислений полна провалов.
У Apple III была неприятная привычка готовить пищу в своей деформированной оболочке. Atari Jaguar, «инновационная» игровая приставка, которая имела некоторые ложные заявления о своей производительности, просто не могла захватить рынок. Флагманский процессор Intel Pentium, предназначенный для высокопроизводительных учетных приложений, испытывал трудности с десятичными числами.
Но другой тип флопа, который преобладает в мире вычислений, - это измерение FLOPS, которое давно принято считать разумным сравнением между различными машинами, архитектурами и системами..
FLOPS - это показатель операций с плавающей запятой в секунду. Проще говоря, это спидометр для вычислительной системы. И это растет в геометрической прогрессии в течение десятилетий.
Так что, если я скажу вам, что через несколько лет у вас будет система, сидящая на вашем столе, или на вашем телевизоре, или на вашем телефоне, которая сотрет пол современных суперкомпьютеров? Невероятный? Я сумасшедший? Посмотрите на историю, прежде чем судить.
Суперкомпьютер в Супермаркет
Недавний Intel i7 Haswell Так в чем разница между процессорами Intel Haswell и Ivy Bridge? Так в чем же разница между процессорами Intel Haswell и Ivy Bridge? Ищете новый компьютер? Те, кто покупает новый ноутбук или настольный компьютер с процессором Intel, должны знать разницу между последним и последним поколением процессоров Intel. процессор может выполнить около 177 миллиардов FLOPS (GFLOPS), что быстрее, чем самый быстрый суперкомпьютер в США в 1994 году, Sandia National Labs XP / s140 с 3680 вычислительными ядрами, работающими вместе.
PlayStation 4 может работать со скоростью около 1,8 триллиона FLOPS благодаря своей усовершенствованной микроархитектуре Cell и превзошла бы суперкомпьютер ASCI Red стоимостью 55 миллионов долларов, который возглавил мировую суперкомпьютерную лигу в 1998 году, почти за 15 лет до выпуска PS4..
IBM Watson AI System IBM раскрывает революционный «мозг на чипе» IBM раскрывает революционный «мозг на чипе» Анонсированный на прошлой неделе в статье в Science, «TrueNorth» - это так называемый «нейроморфный чип» - компьютерный чип, предназначенный для подражать биологическим нейронам, для использования в интеллектуальных компьютерных системах, таких как Уотсон. имеет (текущую) пиковую операцию 80 TFLOPS, и это далеко не близко к тому, чтобы включить его в список 500 лучших современных суперкомпьютеров, причем китайский Tianhe-2 возглавлял Top 500 последние 3 раза подряд с пиковой производительностью 54 902 TFLOPS, или почти 55 Пета-Флопс.
Большой вопрос в том, где следующий суперкомпьютер размером с настольный компьютер. Новейшие компьютерные технологии, которые вы должны увидеть, чтобы верить Новейшие компьютерные технологии, которые вы должны увидеть, чтобы верить. Ознакомьтесь с некоторыми из новейших компьютерных технологий, которые призваны преобразить мир электроники. и ПК в течение следующих нескольких лет. собирается прийти? И что еще более важно, когда мы получаем это?
Еще один кирпич в силовой стене
В недавней истории движущие силы между этими впечатляющими достижениями в скорости были в области материаловедения и архитектурного дизайна; меньшие производственные процессы в нанометровом масштабе означают, что чипы могут быть тоньше, быстрее и выделять меньше энергии в виде тепла, что делает их более дешевыми в эксплуатации.
Кроме того, с развитием многоядерных архитектур в конце 2000-х многие «процессоры» теперь умещаются в одном чипе. Эта технология в сочетании с растущей зрелостью распределенных вычислительных систем, где многие «компьютеры» могут работать как одна машина, означает, что Top 500 постоянно рос, почти не отставая от знаменитого закона Мура..
Однако законы физики начинают мешать всему этому росту, даже Intel беспокоится об этом, и многие во всем мире ищут следующую вещь..
... примерно через десять лет мы увидим крах закона Мура. На самом деле, мы уже видим замедление закона Мура. Мощность компьютера просто не может поддерживать свой быстрый экспоненциальный рост с использованием стандартной кремниевой технологии. - Доктор Мичио Каку - 2012
Основная проблема с текущей схемой обработки состоит в том, что транзисторы либо включены (1), либо выключены (0). Каждый раз, когда затвор транзистора «переворачивается», он должен выбрасывать определенное количество энергии в материал, из которого сделан затвор, чтобы этот «переворот» остался. По мере того как эти вентили становятся все меньше и меньше, соотношение между энергией для использования транзистора и энергией для «переворачивания» транзистора становится все больше и больше, что создает серьезные проблемы с нагревом и надежностью. Нынешние системы приближаются, а в некоторых случаях даже превышают, к исходной тепловой плотности ядерных реакторов, и материалы начинают выходить из строя их конструкторов. Это классически называется «Стена власти».
В последнее время некоторые начали думать по-другому о том, как выполнять полезные вычисления. В частности, две компании привлекли наше внимание с точки зрения современных форм квантовых и оптических вычислений. Канадские D-Wave Systems и Optalysys из Великобритании, у обоих очень разные подходы к решению самых разных проблем..
Время менять музыку
D-Wave получил много прессы в последнее время, с их суперохлажденным зловещим черным ящиком с чрезвычайно внутренним шипом киберпанка, содержащим загадочный голый чип с трудными для воображения способностями.
По сути, система D2 использует совершенно иной подход к решению проблем, эффективно выбрасывая книгу причинно-следственных связей. Так что же это за проблемы, которые этот Google / NASA / Lockheed Martin поддержал??
Бродячий человек
Исторически сложилось так, что если вы хотите решить проблему NP-Hard или Intermediate, где существует чрезвычайно большое количество возможных решений с широким диапазоном возможностей, использование «ценностей» классического подхода просто не работает. Возьмем, к примеру, проблему коммивояжера; учитывая N-городов, найдите кратчайший путь, чтобы посетить все города один раз. Важно отметить, что TSP является основным фактором во многих областях, таких как производство микрочипов, логистика и даже секвенирование ДНК.,
Но все эти проблемы сводятся к очевидному простому процессу; Выберите точку для начала, сгенерируйте маршрут вокруг N «вещей», измерьте расстояние, и, если существует существующий маршрут, который короче его, откажитесь от пробного маршрута и переходите к следующему, пока не останется больше маршрутов для проверки..
Это звучит легко, и для небольших значений это так; для 3 городов есть 3 * 2 * 1 = 6 маршрутов для проверки, для 7 городов - 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, что не так уж плохо для компьютера. Это факториальная последовательность, которая может быть выражена как “N!”, так что 5040 это 7!.
Однако к тому времени, когда вы пойдете немного дальше, чтобы посетить 10 городов, вам необходимо протестировать более 3 миллионов маршрутов. К тому времени, как вы доберетесь до 100, количество маршрутов, которые вам нужно проверить, равно 9, а затем 157 цифры. Единственный способ взглянуть на функции такого рода - использовать логарифмический график, где ось Y начинается с 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3). ) и так далее.
Числа просто становятся слишком большими, чтобы их можно было обрабатывать на любой машине, которая существует сегодня или может существовать с использованием классических вычислительных архитектур.. Но то, что делает D-Wave, совсем другое.
Везувий появляется
Чип Везувия в D2 использует около 500 «кубитов» или квантовых битов для выполнения этих расчетов с использованием метода, называемого квантовым отжигом. Вместо того, чтобы измерять каждый маршрут за раз, кубиты Везувия устанавливаются в состояние суперпозиции (не включается и не выключается, работая вместе как своего рода потенциальное поле) и серии все более сложных алгебраических описаний решения (то есть серии гамильтонианов). описания решения, а не самого решения) применяются к полю суперпозиции.
По сути, система тестирует пригодность каждого потенциального решения одновременно, как мяч, «решающий», каким путем идти вниз по склону. Когда суперпозиция расслабляется в основное состояние, это основное состояние кубитов должно описывать оптимальное решение.
Многие задаются вопросом, какое преимущество дает система D-Wave по сравнению с обычным компьютером. В недавнем тестировании платформы против типичной задачи Traveling Saleman, которая заняла 30 минут для классического компьютера, потребовалось всего полсекунды на Везувий.
Однако, чтобы быть ясным, это никогда не будет системой, на которой вы играете в Doom. Некоторые комментаторы пытаются сравнить эту узкоспециализированную систему с процессором общего назначения. Вам лучше сравнить подводную лодку класса Огайо с F35 Lightning; любая метрика, которую вы выбираете для одного, настолько неуместна для другого, что бесполезна.
D-Wave работает на несколько порядков быстрее для своих специфических проблем по сравнению со стандартным процессором, и оценки FLOPS варьируются от относительно впечатляющих 420 GFLOPS до умопомрачительных 1,5 Peta-FLOPS (поместив его в топ-10 суперкомпьютера список 2013 года на момент последнего публичного прототипа). Во всяком случае, это несоответствие подчеркивает начало конца FLOPS как универсальное измерение применительно к конкретным проблемным областям.
Эта область вычислений нацелена на очень специфический (и очень интересный) набор проблем. Вызывает беспокойство то, что одной из проблем в этой сфере является криптография. Как зашифровать вашу Gmail, Outlook и другую веб-почту Как зашифровать вашу Gmail, Outlook и другую веб-почту. Учетные записи электронной почты содержат ключи к вашей личной информации. Вот как зашифровать Gmail, Outlook.com и другие почтовые учетные записи. - в частности, криптография с открытым ключом.
К счастью, реализация D-Wave сосредоточена на алгоритмах оптимизации, и D-Wave приняла некоторые дизайнерские решения (например, иерархическую пиринговую структуру на чипе), которые указывают, что вы не можете использовать Везувий для решения алгоритма Шора, который потенциально может разблокировать Интернет. так сильно это заставило бы Роберта Редфорда гордиться.
Лазерная математика
Вторая компания в нашем списке - Optalysys. Эта британская компания берет на себя вычисления и включает их с помощью аналоговой суперпозиции света для выполнения определенных классов вычислений с использованием самой природы света. Приведенное ниже видео демонстрирует некоторые общие сведения и основы системы Optalysys, представленные профессором Хайнцем Вольфом..
Это немного волнительно, но по сути, это коробка, которая, надеюсь, однажды сядет на ваш стол и обеспечит вычислительную поддержку для моделирования, CAD / CAM и медицинской визуализации (и, может быть, просто может быть, компьютерных игр). Как и в случае с Vesuvius, решение Optalysys не может выполнять основные вычислительные задачи, но это не то, для чего оно предназначено..
Полезный способ думать об этом стиле оптической обработки - думать о нем как о физическом графическом процессоре (GPU). Современный GPU Познакомьтесь с вашим графическим ускорителем в мельчайших подробностях с GPU-Z [Windows] Познакомьтесь с вашим графическим ускорителем в мельчайших деталях с GPU-Z [Windows] Графический процессор или графический процессор является частью вашего компьютера обработки графики. Другими словами, если игры нестабильны на вашем компьютере или не могут работать с очень высокими настройками качества,… используется много потоковых процессоров параллельно, выполняя одинаковые вычисления для разных данных, поступающих из разных областей памяти. Эта архитектура стала естественным результатом создания компьютерной графики, но эта массивно параллельная архитектура использовалась для всего: от высокочастотной торговли до искусственных нейронных сетей..
Optalsys принимает аналогичные принципы и переводит их в физическую среду; разделение данных превращается в расщепление луча, линейная алгебра превращается в квантовую интерференцию, функции стиля MapReduce становятся системами оптической фильтрации. И все эти функции работают в постоянном, практически мгновенном, времени.
Первоначальное устройство-прототип использует элементарную сетку 20 Гц 500 × 500 для выполнения быстрых преобразований Фурье (в основном, “какие частоты появляются в этом входном потоке?”) и поставил ошеломляющий эквивалент 40 GFLOPS. Разработчики нацеливаются на систему 340 GFLOPS к следующему году, что, учитывая предполагаемое энергопотребление, будет впечатляющим результатом.
Так где мой черный ящик?
История вычислений. Краткая история компьютеров, которые изменили мир. Краткая история компьютеров, которые изменили мир. Вы можете потратить годы на изучение истории компьютера. Есть множество изобретений, тонны книг о них - и это еще до того, как вы начнете рассказывать о том, что неизбежно происходит, когда… показывает нам, что изначально резерв исследовательских лабораторий и правительственных учреждений быстро внедряется в потребительское оборудование. К сожалению, история вычислений еще не сталкивалась с ограничениями законов физики, но.
Лично я не думаю, что D-Wave и Optalysys будут точными технологиями, которые мы будем иметь на наших рабочих столах через 5-10 лет. Считайте, что первый узнаваемый “Умные часы” был открыт в 2000 году и потерпел неудачу; но суть технологии продолжается и сегодня. Аналогичным образом, эти исследования в области квантовых и оптических ускорителей вычислений, вероятно, окажутся сносками в «следующей большой вещи».
Материаловедение приближается к биологическим компьютерам, используя ДНК-подобные структуры для выполнения математических операций. Нанотехнология и «Программируемый вопрос» приближаются к точке, в которой они не обрабатывают «данные», а сам материал будет содержать, представлять и обрабатывать информацию..
В общем, это дивный новый мир для вычислительного ученого. Как вы думаете, куда это все идет? Давайте поговорим об этом в комментариях!
Фото предоставлено: KL Intel Pentium A80501 Константина Ланцет, Asci red - tflop4m от правительства США - Национальная лаборатория Сандиа, DWave D2 от Ванкуверского Солнца, DWave 128chip от D-Wave Systems, Inc., Задача коммивояжера Рэндалла Манро (XKCD)