Горизонт бывших – и дальше…

С одной стороны, они должны помочь нам победить рак, точно предсказать погоду и освоить термоядерный синтез. С другой стороны, есть опасения, что они вызовут глобальное уничтожение или поработят человечество. На данный момент, однако, вычислительные монстры все еще не в состоянии творить одновременно великое добро и всеобщее зло.

В 60-х самые эффективные компьютеры обладали мощностью мегафлопсах (миллионы операций с плавающей запятой в секунду). Первый компьютер с вычислительной мощностью выше 1 GFLOPS (гигафлопса) было Cray 2, производства Cray Research в 1985 году. Первая модель с вычислительной мощностью выше 1 TFLOPS (терафлопса) был ASCI Красный, созданный Intel в 1997 году. Мощность 1 PFLOPS (петафлопс) достигла Roadrunner, выпущенный IBM в 2008 году.

Действующий на данный момент рекорд вычислительной мощности принадлежит китайской Sunway TaihuLight и составляет 9 PFLOPS.

Хотя, как видите, самые мощные машины еще не достигли сотни петафлопсов, все чаще экзамасштабные системыв котором мощность должна учитываться эксафлопсач (EFLOPS), т.е. порядка более 1018 операций в секунду. Однако такие конструкции пока находятся только на стадии проектов разной степени проработанности.

СНИЖЕНИЯ (, операций с плавающей запятой в секунду) — единица вычислительной мощности, используемая в основном в научных приложениях. Он более универсален, чем использовавшийся ранее блок MIPS, что означает количество инструкций процессора в секунду. Флопс — это не СИ, но его можно интерпретировать как единицу 1/с.

Вам нужен exascale для рака

Эксафлопс, или тысяча петафлопс, — это больше, чем все суперкомпьютеры из топ-XNUMX вместе взятые. Ученые надеются, что новое поколение машин с такой мощностью принесет прорывы в различных областях.

Вычислительная мощность в экзафлопсном режиме в сочетании с быстро развивающимися технологиями машинного обучения должна помочь, например, наконец, взломать код рака. Объем данных, которыми должны обладать врачи для диагностики и лечения рака, настолько огромен, что обычным компьютерам сложно справиться с задачей. При типичном исследовании биопсии одиночной опухоли проводится более 8 миллионов измерений, в ходе которых врачи анализируют поведение опухоли, ее реакцию на фармакологическое лечение и влияние на организм пациента. Это настоящий океан данных.

– сказал Рик Стивенс из Аргоннской лаборатории Министерства энергетики США (DOE). –

Сочетая медицинские исследования с вычислительной мощностью, ученые работают над Нейросетевая система CANDLE (). Это позволяет прогнозировать и разрабатывать план лечения с учетом индивидуальных потребностей каждого пациента. Это поможет ученым понять молекулярную основу взаимодействия ключевых белков, разработать прогностические модели реакции на лекарства и предложить оптимальные стратегии лечения. Специалисты Argonne считают, что эксафлопсные системы смогут запускать приложение CANDLE в 50–100 раз быстрее, чем самые мощные известные сегодня супермашины.

Поэтому с нетерпением ждут появления экзафлопсных суперкомпьютеров. Однако первые версии не обязательно появятся в США. Конечно, США являются участником гонки за их создание, и местное правительство в проекте, известном как Аврора сотрудничает с AMD, IBM, Intel и Nvidia, стремясь опередить зарубежных конкурентов. Однако ожидается, что это произойдет не раньше 2021 года. Между тем, в январе 2017 года китайские специалисты объявили о создании экзафлопсного прототипа. Полностью функционирующая модель вычислительного блока такого рода – Tianhe-3 – впрочем, вряд ли он будет готов в ближайшие несколько лет.

Китайцы держат крепко

Дело в том, что с 2013 года китайские разработки возглавляют список самых мощных компьютеров в мире. Он доминировал в течение нескольких лет Tianhe-2и теперь пальма первенства принадлежит упомянутому Sunway TaihuLight. Считается, что эти две самые мощные машины в Поднебесной намного мощнее, чем все двадцать один суперкомпьютер в Министерстве энергетики США.

Американские ученые, конечно же, хотят вернуть себе лидирующие позиции, занимаемые пять лет назад, и работают над системой, которая позволит им это сделать. Он строится в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси. Саммит (2), суперкомпьютер, ввод которого в эксплуатацию запланирован на конец этого года. Это превосходит мощность Sunway TaihuLight. Он будет использоваться для тестирования и разработки новых, более прочных и легких материалов, для моделирования внутренней части Земли с помощью акустических волн и для поддержки астрофизических проектов, исследующих происхождение Вселенной.

2. Пространственный план суперкомпьютера Summit

В упомянутой Аргоннской национальной лаборатории ученые вскоре планируют построить еще более быстрое устройство. Известен пока как A21Ожидается, что производительность достигнет 200 петафлопс.

Япония также принимает участие в гонке суперкомпьютеров. Хотя в последнее время его несколько затмило американо-китайское соперничество, именно эта страна планирует запустить система АБКИ (), предлагая мощность 130 петафлопс. Японцы надеются, что такой суперкомпьютер можно будет использовать для разработки ИИ (искусственного интеллекта) или глубокого обучения.

Тем временем Европарламент только что принял решение построить суперкомпьютер ЕС за миллиард евро. Этот вычислительный монстр начнет свою работу для исследовательских центров нашего континента на рубеже 2022 и 2023 годов. Машина будет построена в рамках ЕвроГПК проекти его строительство будет финансироваться государствами-членами – так что Польша тоже будет участвовать в этом проекте. Его прогнозируемая мощность обычно называется «предэкзамасштабной».

Пока, согласно рейтингу 2017 года, из пятисот самых быстрых суперкомпьютеров мира в Китае 202 таких машины (40%), а Америка контролирует 144 (29%).

Китай также использует 35% мировых вычислительных мощностей по сравнению с 30% в США. Следующие страны с наибольшим количеством суперкомпьютеров в списке — Япония (35 систем), Германия (20), Франция (18) и Великобритания (15). Стоит отметить, что вне зависимости от страны происхождения все пятьсот самых мощных суперкомпьютеров используют разные версии Linux…

Они сами спроектируют

Суперкомпьютеры уже являются ценным инструментом, поддерживающим научные и технологические отрасли. Они позволяют исследователям и инженерам добиваться устойчивого прогресса (а иногда даже огромных скачков вперед) в таких областях, как биология, прогнозирование погоды и климата, астрофизика и ядерное оружие.

Остальное зависит от их мощности. В течение следующих десятилетий использование суперкомпьютеров может существенно изменить экономическое, военное и геополитическое положение тех стран, которые имеют доступ к этому типу сверхсовременной инфраструктуры.

Прогресс в этом деле настолько стремителен, что проектирование новых поколений микропроцессоров уже стало слишком сложным даже для многочисленных человеческих ресурсов. По этой причине передовое компьютерное программное обеспечение и суперкомпьютеры все чаще играют ведущую роль в разработке компьютеров, в том числе с приставкой «супер».

3. Японский суперкомпьютер

Фармацевтические компании вскоре получат возможность полноценной работы благодаря вычислительным сверхспособностям обработка огромного количества геномов человека, животных и растений, которые помогут создать новые лекарства и методы лечения различных заболеваний.

Еще одна причина (на самом деле одна из главных), почему правительства так много вкладывают в разработку суперкомпьютеров. Более эффективные машины помогут будущим военачальникам вырабатывать четкие боевые стратегии в любой боевой обстановке, позволят разрабатывать более эффективные системы вооружения, а также окажут поддержку правоохранительным органам и разведывательным службам в заблаговременном выявлении потенциальных угроз.

Не хватает мощности для симуляции мозга

Новые суперкомпьютеры должны помочь расшифровать давно известный нам природный суперкомпьютер — человеческий мозг.

Международная группа ученых недавно разработала алгоритм, который представляет собой новый важный шаг к моделированию нейронных связей мозга. Новый НЕСТ-алгоритм, описанный в документе с открытым доступом, опубликованном в Frontiers in Neuroinformatics, как ожидается, будет моделировать 100 миллиардов взаимосвязанных нейронов человеческого мозга на суперкомпьютерах. К работе привлечены ученые из немецкого исследовательского центра Jülich, Норвежского университета наук о жизни, Аахенского университета, японского института RIKEN и Королевского технологического института KTH в Стокгольме.

С 2014 года на суперкомпьютерах RIKEN и JUQUEEN в Юлихском суперкомпьютерном центре в Германии проводятся крупномасштабные симуляции нейронных сетей, имитирующие соединения примерно 1% нейронов в человеческом мозгу. Почему только так много? Могут ли суперкомпьютеры моделировать весь мозг?

Объясняет Сюзанна Кункель из шведской компании KTH.

Во время симуляции потенциал действия нейрона (короткие электрические импульсы) должен быть отправлен примерно всем 100 XNUMX человек. небольшие компьютеры, называемые узлами, каждый из которых оснащен рядом процессоров, выполняющих фактические вычисления. Каждый узел проверяет, какие из этих импульсов относятся к виртуальным нейронам, существующим в этом узле.

4. Моделирование мозговых связей нейронов, т.е. мы только в начале пути (1%)

Очевидно, что объем компьютерной памяти, необходимый процессорам для этих дополнительных битов на нейрон, увеличивается с размером нейронной сети. Чтобы выйти за пределы 1% моделирования всего человеческого мозга (4), потребуется в сто раз больше памяти чем то, что доступно во всех суперкомпьютерах сегодня. Поэтому говорить о получении симуляции всего мозга можно было бы только в контексте будущих экзафлопсных суперкомпьютеров. Именно здесь должен работать алгоритм NEST следующего поколения.

ТОП-5 суперкомпьютеров мира

1. Сануэй ТайхуЛайт – Суперкомпьютер производительностью 93 PFLOPS, запущенный в 2016 году в Уси, Китай. С июня 2016 года он возглавляет список ТОП500 — суперкомпьютеров с самой высокой вычислительной мощностью в мире.

2. Тяньхэ-2 (Млечный Путь-2) – суперкомпьютер с вычислительной мощностью 33,86 PFLOPS, построенный компанией NUDT () в Китае. С июня 2013 г.

до июня 2016 года это был самый быстрый суперкомпьютер в мире.

3. Пиз Дайнт – конструкция, разработанная компанией Cray, установленная в Швейцарском национальном суперкомпьютерном центре (). Недавно он был модернизирован — ускорители Nvidia Tesla K20X заменены на новые, Tesla P100, что позволило летом 2017 года увеличить вычислительную мощность с 9,8 до 19,6 PFLOPS.

4. Гёкоу – суперкомпьютер, разработанный ExaScaler и PEZY Computing. Расположен в Японском агентстве морских наук и технологий (JAMSTEC) Йокогамского института наук о Земле; на том же этаже, что и симулятор Земли. Мощность: 19,14 ПФЛОПС.

5. Титан – суперкомпьютер с вычислительной мощностью 17,59 PFLOPS производства Cray Inc. и запущен в октябре 2012 года в Ок-Риджской национальной лаборатории в США. С ноября 2012 года по июнь 2013 года Титан был самым быстрым суперкомпьютером в мире. В настоящее время он находится на пятом месте, но по-прежнему остается самым быстрым суперкомпьютером в США.

Они также борются за первенство в квантовой

В IBM считают, что в ближайшие пять лет в эфир начнут вещать не суперкомпьютеры на базе традиционных кремниевых чипов, а . По словам исследователей компании, отрасль только начинает понимать, как можно использовать квантовые компьютеры. Ожидается, что всего через пять лет инженеры обнаружат первые основные области применения этих машин.

Квантовые компьютеры используют вычислительный блок, называемый кубитем. Обычные полупроводники представляют информацию в виде последовательностей 1 и 0, а кубиты проявляют квантовые свойства и могут одновременно выполнять вычисления как 1 и 0. Это означает, что два кубита могут одновременно представлять последовательности 1-0, 1-1, 0-1. ., 0-0. Вычислительная мощность растет экспоненциально с каждым кубитом, поэтому теоретически квантовый компьютер всего с 50 кубитами может иметь большую вычислительную мощность, чем самые мощные суперкомпьютеры в мире.

D-Wave Systems уже продает квантовый компьютер, которых, как говорят, 2 штук. кубиты. Однако Копии D-Wave (5) являются спорными. Хотя некоторые исследователи нашли им хорошее применение, они все еще не превзошли классические компьютеры и полезны только для определенных классов задач оптимизации.

5. Квантовые компьютеры D-Wave

Несколько месяцев назад лаборатория Google Quantum AI Lab продемонстрировала новый 72-кубитный квантовый процессор под названием щетинные конусы (6). Вскоре он может достичь «квантового первенства», превзойдя классический суперкомпьютер, по крайней мере, когда дело доходит до решения некоторых задач. Когда квантовый процессор демонстрирует достаточно низкий уровень ошибок при работе, он может оказаться более эффективным, чем классический суперкомпьютер, с четко определенной ИТ-задачей.

6. 72-кубитный квантовый процессор Bristlecone

Следующим в ряду был процессор Google, ведь в январе, например, Intel анонсировала собственную 49-кубитную квантовую систему, а ранее 50-кубитную версию представила IBM. чип интел, Loihi, он является инновационным и в других отношениях. Это первая «нейроморфная» интегральная схема, разработанная для имитации того, как человеческий мозг учится и понимает. Он «полностью функционален» и будет доступен для партнеров по исследованиям в конце этого года.

Однако это только начало, ведь чтобы иметь возможность расправляться с кремниевыми монстрами, нужно z миллионы кубитов. Группа ученых из Голландского технического университета в Делфте надеется, что способом достижения таких масштабов является использование кремния в квантовых компьютерах, потому что ее члены нашли решение, как использовать кремний для создания программируемого квантового процессора.

В своем исследовании, опубликованном в журнале Nature, голландская команда контролировала вращение одного электрона с помощью микроволновой энергии. В кремнии электрон вращался бы вверх и вниз одновременно, эффективно удерживая его на месте. Как только это было достигнуто, команда соединила два электрона вместе и запрограммировала их для запуска квантовых алгоритмов.

Удалось создать на основе кремния двухбитный квантовый процессор.

Доктор Том Уотсон, один из авторов исследования, объяснил Би-би-си. Если Уотсону и его команде удастся сплавить еще больше электронов, это может привести к восстанию кубитовые процессорыэто приблизит нас на один шаг к квантовым компьютерам будущего.

– Тот, кто построит полностью функционирующий квантовый компьютер, будет править миром Манас Мукерджи из Национального университета Сингапура и главный исследователь Национального центра квантовых технологий недавно сказал в интервью. Гонка между крупнейшими технологическими компаниями и исследовательскими лабораториями в настоящее время сосредоточена на так называемых квантовое превосходство, точка, в которой квантовый компьютер может выполнять вычисления, превосходящие все, что могут предложить самые передовые современные компьютеры.

Приведенные примеры достижений Google, IBM и Intel говорят о том, что в этой сфере доминируют компании из США (а значит, и государства). Однако совсем недавно китайский сайт Alibaba Cloud выпустил платформу облачных вычислений на базе 11-кубитного процессора, которая позволяет ученым тестировать новые квантовые алгоритмы. Это означает, что Китай в области блоков квантовых вычислений тоже не засыпает груши пеплом.

Однако усилия по созданию квантовых суперкомпьютеров вызывают не только энтузиазм в отношении новых возможностей, но и вызывают споры.

Несколько месяцев назад, во время Международной конференции по квантовым технологиям в Москве, Александр Львовский (7) из Российского квантового центра, который также является профессором физики Университета Калгари в Канаде, сказал, что квантовые компьютеры инструмент разрушенияне создавая.

7. Профессор Александр Львовский

Что он имел в виду? Прежде всего, цифровая безопасность. В настоящее время вся конфиденциальная цифровая информация, передаваемая через Интернет, шифруется для защиты конфиденциальности заинтересованных сторон. Мы уже видели случаи, когда хакеры могли перехватить эти данные, взломав шифрование.

По словам Львова, появление квантового компьютера только облегчит задачу киберпреступникам. Ни одно из известных сегодня средств шифрования не сможет защитить себя от вычислительной мощности настоящего квантового компьютера.

Медицинские записи, финансовая информация и даже секреты правительств и военных организаций были бы доступны как в кастрюле, а это означало бы, как отмечает Львовски, что новая технология может угрожать всему мировому порядку. Другие эксперты считают, что опасения россиян необоснованны, поскольку создание настоящего квантового суперкомпьютера также позволит инициировать квантовую криптографию, считается нерушимым.

Другой подход

Помимо традиционных компьютерных технологий и разработки квантовых систем, различные центры работают над другими методами построения суперкомпьютеров будущего.

Американское агентство DARPA финансирует шесть центров альтернативных компьютерных дизайнерских решений. Архитектура, используемая в современных машинах, условно называется архитектура фон Нейманао, ему уже семьдесят лет. Поддержка университетских исследователей со стороны оборонной организации направлена ​​на разработку более разумного подхода к обработке больших объемов данных, чем когда-либо прежде.

Буферизация и параллельные вычисления вот несколько примеров новых методов, над которыми работают эти команды. Другой АДА (), что позволяет упростить разработку приложений за счет преобразования компонентов ЦП и памяти с модулями в одну сборку, а не бороться с вопросами их связи на материнской плате.

В прошлом году группа исследователей из Великобритании и России успешно продемонстрировала, что тип «Волшебная пыль»из которых они состоят свет и материя – в конечном итоге превосходящие по «производительности» даже самые мощные суперкомпьютеры.

Ученые из британских университетов Кембриджа, Саутгемптона и Кардиффа и российского института Сколково использовали квантовые частицы, известные как поляритоныкоторое можно определить как нечто среднее между светом и материей. Это совершенно новый подход к компьютерным вычислениям. По мнению ученых, он может лечь в основу компьютера нового типа, способного решать неразрешимые в настоящее время вопросы — в различных областях, таких как биология, финансы и космические путешествия. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.

Помните, что современные суперкомпьютеры могут справиться лишь с небольшой долей проблем. Даже гипотетический квантовый компьютер, если он будет наконец построен, в лучшем случае обеспечит квадратичное ускорение решения самых сложных задач. Между тем, поляритоны, создающие «волшебную пыль», создаются путем активации слоев атомов галлия, мышьяка, индия и алюминия лазерными лучами.

Электроны в этих слоях поглощают и излучают свет определенного цвета. Поляритоны в десять тысяч раз легче электронов и могут достигать достаточной плотности, чтобы породить новое состояние материи, известное как Конденсат Бозе-Эйнштейна (8). Квантовые фазы поляритонов в нем синхронизируются и образуют единый макроскопический квантовый объект, который может быть обнаружен измерениями фотолюминесценции.

8. График, показывающий конденсат Бозе-Эйнштейна

Оказывается, в этом конкретном состоянии поляритонный конденсат может решить проблему оптимизации, о которой мы упоминали при описании квантовых компьютеров, гораздо эффективнее, чем процессоры на основе кубитов. Авторы британско-российских исследований показали, что по мере конденсации поляритонов их квантовые фазы располагаются в конфигурации, соответствующей абсолютному минимуму сложной функции.

«Мы находимся в начале изучения потенциала поляритоновых графиков для решения сложных задач», — пишет соавтор Nature Materials проф. Павлос Лагудакис, руководитель лаборатории гибридной фотоники в Саутгемптонском университете. «В настоящее время мы масштабируем наше устройство до сотен узлов, тестируя базовую вычислительную мощность».

В этих экспериментах из мира тонких квантовых фаз света и материи даже квантовые процессоры кажутся чем-то корявым и прочно связанным с реальностью. Как видите, ученые не только работают над суперкомпьютерами завтрашнего дня и машинами послезавтра, но уже планируют, что будет послезавтра.

На данный момент достижение экзамасштаба будет довольно сложной задачей, затем вы будете думать о следующих вехах по шкале флопов (9). Как вы могли догадаться, просто добавить к этому процессоры и память недостаточно. Если верить ученым, достижение такой мощной вычислительной мощности позволит нам решать известные нам мегапроблемы, такие как расшифровка рака или анализ астрономических данных.

9. Будущее суперкомпьютеров

Сопоставьте вопрос с ответом

Что дальше?

Что ж, в случае с квантовыми компьютерами возникают вопросы, для чего их следует использовать. Согласно старой поговорке, компьютеры решают проблемы, которых без них не было бы. Так что нам, вероятно, следует сначала построить эти футуристические супермашины. Тогда проблемы возникнут сами собой.

В каких областях могут пригодиться квантовые компьютеры?

Искусственный интеллект. ИИ () работает по принципу обучения через опыт, который становится все более и более точным по мере получения обратной связи и до тех пор, пока компьютерная программа не станет «умной». Обратная связь основана на расчетах вероятностей ряда возможных вариантов. Мы уже знаем, что Lockheed Martin, например, планирует использовать свой квантовый компьютер D-Wave для тестирования программного обеспечения автопилота, которое в настоящее время слишком сложно для классических компьютеров, а Google использует квантовый компьютер для разработки программного обеспечения, которое может отличать автомобили от ориентиров.

Молекулярное моделирование. Благодаря квантовым компьютерам можно будет точно моделировать молекулярные взаимодействия, подыскивая оптимальные конфигурации для химических реакций. Квантовая химия настолько сложна, что современные цифровые компьютеры могут анализировать только простейшие молекулы. Химические реакции являются квантовыми по своей природе, потому что они создают сильно запутанные квантовые состояния, перекрывающие друг друга, поэтому полностью развитые квантовые компьютеры без труда смогут оценить даже самые сложные процессы. У Google уже есть наработки в этой области — они смоделировали молекулу водорода. Результатом станут более эффективные продукты, начиная от солнечных батарей и заканчивая лекарствами.

Криптография. Системы безопасности сегодня зависят от эффективной первичной генерации. Это может быть достигнуто с помощью цифровых компьютеров путем поиска всех возможных факторов, но огромное количество времени, необходимое для этого, делает «взлом кода» дорогостоящим и непрактичным. Между тем, квантовые компьютеры могут делать это экспоненциально, более эффективно, чем цифровые машины, а это означает, что сегодняшние методы безопасности скоро устареют. Существуют также многообещающие методы квантового шифрования, которые разрабатываются с использованием преимуществ однонаправленной природы квантовой запутанности. Общегородские сети уже были продемонстрированы в нескольких странах, и недавно китайские ученые объявили, что они успешно отправляют запутанные фотоны с орбитального «квантового» спутника на три отдельные базовые станции обратно на Землю.

Финансовое моделирование. Современные рынки являются одними из самых сложных существующих систем. Хотя научно-математический аппарат для их описания и контроля разработан, эффективность такой деятельности пока во многом недостаточна из-за принципиального различия научных дисциплин: нет контролируемой среды, в которой можно проводить эксперименты. Чтобы решить эту проблему, инвесторы и аналитики обратились к квантовым вычислениям. Одним из непосредственных преимуществ является то, что случайность, присущая квантовым компьютерам, согласуется со стохастической природой финансовых рынков. Инвесторы часто хотят оценить распределение результатов в очень большом количестве случайно сгенерированных сценариев.

Прогноз погоды. Главный экономист NOAA Родни Ф. Вейхер утверждает, что почти 30% ВВП США ($6 трлн) прямо или косвенно зависят от погоды. для производства продуктов питания, транспорта и розничной торговли. Таким образом, способность лучше предсказывать ауру была бы очень полезна во многих областях, не говоря уже о более длительном времени, отведенном для защиты от стихийных бедствий. Национальное метеорологическое подразделение Великобритании, Метеорологическое бюро, уже начало инвестировать в такие инновации для удовлетворения потребностей в мощности и масштабируемости, с которыми ему придется иметь дело с 2020 года, и опубликовало отчет о своих собственных экзафлопсных вычислительных потребностях.

Физика частиц. Модели физики твердых частиц часто являются чрезвычайно сложными, запутанными решениями, которые требуют много вычислительного времени для численного моделирования. Это делает их идеальными для квантовых вычислений, и ученые уже извлекли из этого выгоду. Исследователи из Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) недавно использовали программируемую квантовую систему для выполнения этого моделирования. Согласно публикации в Nature, группа использовала простую версию квантового компьютера, в котором ионы выполняли логические операции, основные этапы любых компьютерных вычислений. Моделирование показало полное совпадение с реальными экспериментами описанной физики. — говорит физик-теоретик Петер Золлер. –