Компьютерный прорыв — можно ли на него рассчитывать?

Инаугурация нового десятилетия также является началом «эры экзафлопсов» (1) в мире компьютеров. Итак, все начинается с прорыва в мире традиционных вычислений. Посмотрим, чем закончится, но с первым хвастовством «квантового превосходства» у нас может быть десятилетие интереснее, чем то, что осталось позади.

Как и предсказывалось несколько лет назад, при нынешних темпах развития первые высокопроизводительные суперкомпьютеры более 1 эксафлопса (10¹⁸триллион FLOPS, операций с плавающей запятой в секунду) должны были быть построены примерно в 2019 году. По данным корпорации Intel, темпы развития должны были сохраняться как минимум до 2029 года, когда должны быть созданы компьютеры с производительностью зеттафлопс (10²¹, триллион FLOPS).

Каждый следующий шаг вперед в суперкомпьютерах занимает около десяти лет, но последний, в сторону экзафлопсной обработки, был особенно сложным — мы имеем дело с общим замедлением развития кремниевых технологий, о чем мы много раз писали в МТ. Кроме того, на этот раз речь идет не просто о большей вычислительной производительности. Эра экзамасштабов знаменует собой радикальный сдвиг в сторону обработка данных, что окажет существенное влияние на экономическую ситуацию.

Международная корпорация данных (IDC) прогнозирует, что к 2025 году объем глобальных данных увеличится на 61%, до 175 зеттабайт. Все — от небольших частных компаний до крупнейших государственных лабораторий — будут искать способы превратить этот океан данных в полезную информацию, используя сочетание моделирования, симуляции, анализа данных, Интернета вещей (IoT) и искусственного интеллекта (ИИ). . Поэтому эпоха экзафлопсов требует преобразования цифровой инфраструктуры, чтобы она могла управлять огромными объемами данных и поддерживать гибридные рабочие процессы, сочетающие моделирование, аналитику и искусственный интеллект.

Вычислительная мощность также имеет решающее значение для целых стран и Национальная безопасность. Ведь идет компьютерная гонка вооружений. Вам необходимо защитить себя от киберугроз и укрепить традиционные средства защиты. Второе поле наука, в котором суперкомпьютеры стали универсальными инструментами и инструментами, необходимыми для открытий во многих дисциплинах. Третья тенденция – борьба за экономическую конкурентоспособность. Суперкомпьютеры используются для разработки более качественных материалов и продуктов, оптимизации бизнес-логистики, сбора и обработки огромных объемов данных о бизнес-транзакциях, социальных сетях, промышленных машинах и Интернете вещей, а также для получения информации для повышения конкурентоспособности бизнеса.

Свет и звук

Кремниевый кризис длится уже более десяти лет. Один из способов побороть его и восстановить силы, аналогичный законы Мура из лучших времен фотоника (2). Прежде всего, он обещает решить проблемы с температурой и производительностью, с которыми сталкивались кремниевые чипы.

Ученые из исследовательского отдела IBM, мирового лидера в области фотоники, несколько лет назад сконструировали ключевой компонент фотонных систем будущего: низковольтный полупроводниковый фотодетектор — чрезвычайно быстрый и маломощный. лавинный фотодиод (APD), который работает при низком напряжении (1,5 В) и может быть встроен в модули, изготовленные по стандартной КМОП-технологии. Скорость переключения элемента превышала 30 ГГц, а при более высоком напряжении была еще выше.

2. Символическая фотонная связь в электронике

Другие компании также пытаются. В 2010 году Intel продемонстрировала прототип первого в истории на базе кремния оптическая связь со встроенным лазер. Он уже способен отправлять данные на большие расстояния со скоростью 50 гигабит в секунду.

Традиционно медь использовалась для передачи данных в электронных устройствах. Электрический сигнал в нем ухудшается, поэтому компоненты необходимо располагать близко друг к другу. Только благодаря этому мы можем добиться соответствующего качества сигнала и высокой скорости его прохождения. Использование фотоники на основе кремния означает, что данные можно передавать быстрее и на большие расстояния. Отдельные компоненты суперкомпьютеров или части базы данных не обязательно должны быть расположены близко друг к другу. Их можно удобно распределить по всему зданию или даже группе зданий. Замена меди оптическими линиями позволит создавать еще более мощные суперкомпьютеры, чем сегодня. Эксперты подсчитали, что использование электроники для создания 10-терабитного канала данных между ЦП и памятью потребует 160 Вт мощности. По мнению специалистов Hewlett Packard, если заменить электронику на встроенную фотонику, энергопотребление снизится до 6,4 Вт. Другой проблемой является создание миниатюрных лазеров, которые можно построить с использованием доступных технологий.

Недавно ученые из Копенгагенского университета вывели род пушка, стреляющая одиночными фотонами. Он был интегрирован в оптический чип, состоящий из миниатюрного кристалла шириной 10 и толщиной 160 микрометров. В центре находится квантовая точка, которая является источником света. Когда мы освещаем квантовую точку лазером, лазерный свет возбуждает электроны, которые перескакивают с одной оболочки на другую, испуская отдельные фотоны. Обычно они путешествуют во всех направлениях, но эта фотонная система была спроектирована так, что фотоны могут путешествовать только по одному каналу — копенгагенская команда контролировала и направляла 98,4% фотонов в нужном направлении.

Вскоре ученые из швейцарских институтов совместно с коллегами из других стран создали первый в истории лазер германово-циновый, напрямую подключен к кремниевому чипу. Это достижение, опубликованное журналом Nature Photonics, доказало, что лазерная система усиливает сигнал, передавая его в виде луча данных. В демонстрационных целях лазер возбуждается оптическим путем. Ученые теперь должны сделать то же самое с электрическим сигналом. Ограничением, которое необходимо преодолеть, является необходимость охлаждения системы до -183 °C, но, по мнению исследователей, при такой температуре можно значительно понизиться.

Технология фотонной (оптической) связи на порядок быстрее, чем технология электрической связи, но материалы и процессы, используемые для производства фотонных интегральных схем, как правило, несовместимы с процессом производства кремния (CMOS). Это означает, что фотонные интегральные схемы были изготовлены на сверхбыстрых автономных схемах, а затем подключены через сверхмедленный высокоэнергетический электрический интерфейс к обычной вычислительной среде. Поэтому высокоскоростная фотоника в настоящее время используется только в дорогих центрах обработки данных и телекоммуникационном оборудовании. Просто поймите, что эти реализации скомпрометированы высокоэнергетическим электрическим интерфейсом с высокой задержкой.

Оптическая передача данных на интегральных схемах, ставшая возможной благодаря использованию кремниевой фотоники (SiP), широко рассматривается как ключевая технология для преодоления ограничений пропускной способности и энергетических ограничений электрических соединений. Еще одним направлением, на которое стоит обратить внимание, является так называемое резистивные воспоминания. Наиболее популярным и широко производимым типом резистивной памяти является тот, который продается Intel под торговой маркой Optane. Разработанная Intel и Micron технология была названа обеими компаниями 3D XPoint (3). Согласно независимым микроскопическим анализам, память 3D XPoint изготовлена ​​из двух типов материалов: резистивным материалом является халькогенидное стекло GeSbTe (германий, сурьма, теллур), а другое халькогенидное стекло (селен, германий, кремний, мышьяк) играет роль диод, ограничивающий ток в одном направлении. Это ИКМ-память, в которой мемрезистивный материал меняет свое состояние со стеклообразного на кристаллическое и наоборот.

3. Model struktury chipa 3D XPoint

В прошлом году ученые сделали большой шаг к созданию еще одной технологии компьютерных чипов, на этот раз сочетающей свет со звуком. Впервые в истории они сохранили световую информацию в виде звуковых волн на компьютерном чипе, которую они сравнили с захватом молнии как грома.

Кодировать информацию в фотоны довольно просто — мы делаем это, когда отправляем информацию по оптоволокну. Но найти способ сделать это с помощью компьютерного чипа скачать и обработать информация, хранящаяся в фотонах, сложна по одной причине — свет слишком быстр, чтобы существующие микросхемы могли ее прочитать. Таким образом, световая информация, которая передается по интернет-кабелю, теперь преобразуется в свободные электроны. Как оказалось, лучшей альтернативой было бы замедлить свет и превратить его в звук. По крайней мере, так считают ученые из Сиднейского университета в Австралии.

Об этом сообщила журналистам руководитель проекта Биргит Стиллер.

Команда разработала систему памяти, которая точно передает световые и звуковые волны на фотонный микропроцессор — тип микросхемы, которая будет использоваться в компьютерах, использующих свет (4). Фотонная информация поступает в чип в виде светового импульса, где она взаимодействует с импульсом «записи», создавая акустическую волну, которая сохраняет данные. Другой световой импульс, называемый импульсом чтения, получает доступ к этим аудиоданным и повторно передает свет. Информация, записанная в виде звуковой волны, может оставаться на чипе до 10 наносекунд — достаточно долго, чтобы ее можно было извлечь и обработать.

Тот факт, что команда смогла превратить свет в звуковые волны, сделал поиск данных более точным. В отличие от предыдущих попыток, система работала в широкой полосе частот. Результаты были опубликованы в «Nature Communications».

4. Звукозапись на халькогенидном чипе

Квантовая мировая война

Как известно, в октябре 2019 года компания Google объявила о «квантовом превосходстве» (5), заявив, что ее машина может решить за 200 секунд задачу, на которую у самого быстрого суперкомпьютера в мире ушло бы 10 XNUMX секунд. годы. Это заявление было воспринято с большим скептицизмом, но никто не сомневается, что сама декларация задает рамки конкуренции.

Однажды во время одной из своих печально известных лекций по квантовой физике в Массачусетском технологическом институте лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман, представил теоретическую модель работы названного им устройства квантовый компьютер. В то время эта концепция считалась научной фантастикой. Фейнман убедил аудиторию в том, что многие явления можно использовать для преобразования квантовой системы в компьютерную модель.

Идея Фейнмана была впервые реализована через пятнадцать лет после знаменитой лекции. В 1996 году Нил Гершенфельд, Исаак Л. Чуанг и Марк Кубинека построили машину, использующую явление магнитного резонанса ЯМР. Устройство было запрограммировано с помощью радиоимпульсов.

Эта история доказывает, что понятие «квантовый компьютер» можно понимать по-разному — сам Фейнман, наконец, допускал множество вариантов на этот счет. Однако по контракту считается, что прорыв в квантовых вычислениях произошел лишь в 2009 году, когда два аспиранта из Центра квантовой фотоники Бристольского университета — Альберто Полити и Джонатан Мэтьюз — построили первый оптический квантовый компьютер, использующий четыре кубита, или квантовые биты.

5. Генеральный директор Google Сундар Пичаи и квантовый компьютер компании

Короче говоря, в отличие от традиционного бита, означающего 1 или 0 в двоичном формате, кубит описывает некую квантовую систему, о которой мы не можем получить полную информацию, не потревожив ее измерением. Эти суперпозиции состояний очень неустойчивы. Даже малейший контакт с окружающей средой приводит к тому, что система за доли секунды выпадает из суперпозиции в стационарное состояние. Это явление физики называют декогеренция. Это самое большое препятствие в работе квантовых машин, хотя мы постепенно начинаем его контролировать.

Настоящая гонка по созданию все более крупных квантовых процессоров началась во второй половине десятилетия. В июне 2017 года IBM сообщила, что сервис будет запущен в облаке. IBM Qкоторый обеспечивает коммерческий доступ к квантовому компьютеру, оснащенному пятиквадрантным процессором. Всего через полтора месяца на Международной конференции по квантовым технологиям в Москве Михаил Лукин, руководитель исследовательской группы Лукина в лаборатории квантовой оптики Гарвардского университета, сообщил, что его команда построила и запустила 51-кубитный квантовый компьютер.

Уровень конкуренции между компаниями в области квантовых вычислений — это одно. Однако это пересекается с более общим соперничеством государств, особенно величайших держав. Американцы, официально лидирующие в этой сфере, обеспокоены достижениями китайцев. Ведущим учебным заведением здесь является Университет науки и технологий (USTC), одна из самых престижных школ страны, расположенная в Хэфэе недалеко от Шанхая. Председатель КНР Си Цзиньпин посетил USTC в 2016 году, где встретился с Панем Джианвейм, вице-президент школы и китайский «квантовый отец». UTSC возглавляет усилия по созданию общенациональной сети квантовой связи, которая соединит Пекин, Шанхай, Гуанчжоу и пять других городов с помощью спутников и оптоволоконных кабелей. В презентации на шанхайской конференции, организованной в августе Международным союзом электросвязи (МСЭ), органом Организации Объединенных Наций, вы объяснили, как можно использовать квантовые спутники для обеспечения «безоговорочной безопасности» при передаче данных без взлома.

Китайский ученый также возглавлял исследовательскую группу. Мичиусем первый в мире квантовый спутник, запущенный Китаем в 2016 году. Названный в честь древнекитайского философа Мози, спутник успешно организовал видеозвонок между Пекином и Веной в 2017 году с использованием квантового шифрования без прослушивания.

«Достижения Китая в квантовой науке могут оказать влияние на будущий военный и стратегический баланс, возможно, даже превысив традиционные американские военно-технические преимущества», — написали Эльза Б. Каниа и Джон Костелло в своем докладе «Силы стратегической поддержки и будущее Китая». China Information Operations», добавив, что Соединенные Штаты «должны (…) удвоить свои усилия, чтобы оставаться лидером или, по крайней мере, главным противником в развитии квантовых технологий».

В августе 2018 года президент Дональд Трамп подписал закон о национальная квантовая инициатива. Он позволяет выделить дополнительно $1,2 млрд на финансирование исследований в течение следующих пяти лет, а также создать в США национальный квантовый комитет для координации исследований и государственного финансирования.

«Кубит для бедных»

Вот вам и силы. А как насчет гонки квантовых технологий чуть более случайных пользователей? Получается, что он (нас) может капать и то, и другое.

В октябре 2019 года ученые впервые продемонстрировали оборудование вероятностный компьютер, который выполняет вычисления с использованием p-биты. Это решение устранило бы разрыв между классическими и квантовыми вычислениями, предоставив то, что ученые называют «кубитами для бедных». Все было описано в сентябрьском номере Nature.

Вероятностные компьютеры потенциально могли бы решить многие проблемы, с которыми сталкиваются квантовые машины, но их можно было бы производить на основе существующего сегодня оборудования.

Вероятностный бит, или p-бит, был предложен в 2017 году исследовательской группой из Университета Пердью (англ.6). В отличие от обычных стабильных битов, p-биты являются случайными, изменчивыми единицами: они со временем изменяются от 0 до 1. Другими словами, они оцениваются как 0 (или 1) с некоторой вероятностью. Затем их можно комбинировать для реализации логических функций. Еще одной уникальной особенностью является то, что они обратимы.

6. Суприё Датта из Университета Пердью представляет идею р-бита

Устройство, описанное в журнале Nature, основано на магниторезистивной RAM или MRAM (ранее в этом году Intel объявила, что может производить эти чипы в массовом порядке) и использует ориентацию микроскопических магнитов для изменения сопротивления для представления 1 или 0. Исследователи из Университета Тохоку в Японии модифицировали MRAM, чтобы сделать чип преднамеренно нестабильным, способствуя колебаниям битов. Это было связано с транзистором для управления джиттером. И вот у нас есть этот «кубит для бедных». Чтобы построить функциональный вероятностный компьютер, восемь таких p-битных блоков были связаны вместе.

Хотя аппаратное обеспечение еще не решает никаких проблем, недоступных для классических компьютеров (как в случае с квантовыми вычислениями), исследователи подчеркивают, что оно выполняет функции с меньшими затратами, для которых потребуются тысячи транзисторов.

Только запыхался?

Большую часть проводимых в настоящее время исследований и поисков вычислительных решений можно охарактеризовать как попытку преодолеть кризис закона Мура и фундаментальные ограничения, которых мы достигли в развитии кремниевых технологий. Уходящее десятилетие ознаменовалось упадком возможностей транзисторной электроники, разрабатывавшейся более полувека, что рядовой пользователь видел, например, в стагнации предлагаемых ему аппаратных параметров. Все рассчитывают на то, что примерно к 2030 году мы будем говорить об этом времени лишь как о временной отдышке технического прогресса в компьютерах.