Хоризонтът на бившия - и отвъд ...

От една страна, те трябва да ни помогнат да победим рака, да предвидим точно времето и да овладеем ядрения синтез. От друга страна има опасения, че те ще причинят глобално унищожение или ще поробят човечеството. В момента обаче изчислителните чудовища все още не са в състояние да вършат голямо добро и универсално зло едновременно.

През 60-те години най-ефективните компютри имаха мощност мегафлопс (милиони операции с плаваща запетая в секунда). Първият компютър с процесорна мощност горе 1 GFLOPS (гигафлопс) беше Крей 2, произведен от Cray Research през 1985 г. Първият модел с процесорна мощност над 1 TFLOPS (терафлопс) беше ASCI Червен, създаден от Intel през 1997 г. Достигната мощност 1 PFLOPS (петафлопс). Roadrunner, издаден от IBM през 2008 г.

Настоящият рекорд за изчислителна мощност принадлежи на китайския Sunway TaihuLight и е 9 PFLOPS.

Въпреки че, както виждате, най-мощните машини все още не са достигнали стотици петафлопс, все повече и повече exascale системипри което трябва да се вземе предвид мощността exaflopsach (EFLOPS), т.е. около повече от 1018 операции в секунда. Такива структури обаче все още са само на етап проекти с различна степен на сложност.

НАМАЛЕНИЯ (, операции с плаваща запетая в секунда) е единица за изчислителна мощност, използвана предимно в научни приложения. Той е по-гъвкав от предишния блок MIPS, което означава броя на процесорните инструкции в секунда. Флопът не е SI, но може да се интерпретира като единица от 1/s.

Имате нужда от екзаскала за рак

Един exaflops или хиляда петафлопса е повече от всички топ XNUMX суперкомпютри взети заедно. Учените се надяват, че ново поколение машини с такава мощност ще донесе пробиви в различни области.

Обработващата мощност на Exascale, съчетана с бързо напредващи технологии за машинно обучение, би трябвало да помогне например най-накрая разбийте раковия код. Количеството данни, което лекарите трябва да разполагат, за да диагностицират и лекуват рак, е толкова огромно, че е трудно за обикновените компютри да се справят със задачата. При едно типично изследване с биопсия на тумор се правят повече от 8 милиона измервания, по време на които лекарите анализират поведението на тумора, неговия отговор на фармакологичното лечение и ефекта върху тялото на пациента. Това е истински океан от данни.

каза Рик Стивънс от лабораторията Argonne на Министерството на енергетиката на САЩ (DOE). -

Съчетавайки медицински изследвания с изчислителна мощност, учените работят CANDLE невронна мрежова система (). Това ви позволява да предвидите и разработите план за лечение, съобразен с индивидуалните нужди на всеки пациент. Това ще помогне на учените да разберат молекулярната основа на ключови протеинови взаимодействия, да разработят модели за прогнозиране на лекарствен отговор и да предложат оптимални стратегии за лечение. Argonne вярва, че системите exascale ще могат да изпълняват приложението CANDLE 50 до 100 пъти по-бързо от най-мощните супермашини, известни днес.

Затова с нетърпение очакваме появата на екзамащабни суперкомпютри. Първите версии обаче не е задължително да се появят в САЩ. Разбира се, САЩ са в надпреварата за тяхното създаване, а местната власт в проект, известен като Аврора си сътрудничи с AMD, IBM, Intel и Nvidia, като се стреми да изпревари чуждестранните конкуренти. Това обаче не се очаква да се случи преди 2021 г. Междувременно през януари 2017 г. китайски експерти обявиха създаването на прототип в екзамащаб. Напълно функциониращ модел на този вид изчислителна единица е − Tianhe-3 - обаче е малко вероятно да бъде готов през следващите няколко години.

Китайците се държат здраво

Факт е, че от 2013 г. насам китайските разработки оглавяват списъка на най-мощните компютри в света. Той доминираше години наред Tianhe-2и сега палмата принадлежи на споменатите Sunway TaihuLight. Смята се, че тези две най-мощни машини в Средното кралство са много по-мощни от всичките двадесет и един суперкомпютър в Министерството на енергетиката на САЩ.

Американските учени, разбира се, искат да си върнат водещата позиция, която заеха преди пет години, и работят върху система, която ще им позволи да направят това. Изгражда се в Националната лаборатория Оук Ридж в Тенеси. Връх (2), суперкомпютър, планиран за пускане в експлоатация по-късно тази година. Той надминава силата на Sunway TaihuLight. Той ще се използва за тестване и разработване на нови материали, които са по-здрави и по-леки, за симулиране на вътрешността на Земята с помощта на акустични вълни и за подпомагане на астрофизични проекти, изследващи произхода на Вселената.

2. Пространствен план на суперкомпютъра Summit

В споменатата национална лаборатория в Аргон учените скоро планират да изградят още по-бързо устройство. Познат като A21Очаква се производителността да достигне 200 петафлопса.

Япония също участва в надпреварата за суперкомпютри. Въпреки че напоследък беше донякъде засенчена от съперничеството между САЩ и Китай, именно тази страна планира да стартира ABKI система (), предлагащ 130 петафлопса мощност. Японците се надяват, че такъв суперкомпютър може да се използва за разработване на AI (изкуствен интелект) или дълбоко обучение.

Междувременно Европейският парламент току-що реши да построи суперкомпютър за милиард евро за ЕС. Това компютърно чудовище ще започне своята работа за изследователските центрове на нашия континент на границата между 2022 и 2023 г. Машината ще бъде изградена вътре Проект EuroGPKи изграждането му ще бъде финансирано от държавите-членки – така че Полша също ще участва в този проект. Неговата прогнозирана мощност обикновено се нарича "предекзаскала".

Досега, според класацията за 2017 г., от петстотинте най-бързи суперкомпютри в света Китай има 202 такива машини (40%), докато Америка контролира 144 (29%).

Китай също използва 35% от световната изчислителна мощност в сравнение с 30% в САЩ. Следващите страни с най-много суперкомпютри в списъка са Япония (35 системи), Германия (20), Франция (18) и Обединеното кралство (15). Струва си да се отбележи, че независимо от страната на произход, всичките петстотин от най-мощните суперкомпютри използват различни версии на Linux ...

Те сами проектират

Суперкомпютрите вече са ценен инструмент, поддържащ науката и технологичните индустрии. Те позволяват на изследователите и инженерите да постигнат стабилен напредък (а понякога дори огромни скокове напред) в области като биология, прогнози за времето и климата, астрофизика и ядрени оръжия.

Останалото зависи от тяхната сила. През следващите десетилетия използването на суперкомпютри може значително да промени икономическото, военното и геополитическото положение на онези страни, които имат достъп до този тип авангардна инфраструктура.

Напредъкът в тази област е толкова бърз, че проектирането на нови поколения микропроцесори вече е станало твърде трудно дори за многобройни човешки ресурси. Поради тази причина съвременният компютърен софтуер и суперкомпютрите все повече играят водеща роля в развитието на компютрите, включително тези с префикс „супер“.

3. Японски суперкомпютър

Фармацевтичните компании скоро ще могат да работят напълно благодарение на изчислителните суперсили обработка на огромен брой човешки геноми, животни и растения, които ще помогнат за създаването на нови лекарства и лечения за различни заболявания.

Друга причина (всъщност една от основните), поради която правителствата инвестират толкова много в развитието на суперкомпютрите. По-ефективните превозни средства ще помогнат на бъдещите военни лидери да разработят ясни бойни стратегии във всяка бойна ситуация, ще позволят разработването на по-ефективни оръжейни системи и ще подкрепят правоприлагащите и разузнавателните агенции при предварителното идентифициране на потенциалните заплахи.

Няма достатъчно мощност за симулация на мозъка

Новите суперкомпютри трябва да помогнат за дешифрирането на естествения суперкомпютър, познат ни от дълго време – човешкият мозък.

Международен екип от учени наскоро разработи алгоритъм, който представлява важна нова стъпка в моделирането на невронните връзки на мозъка. Нов НЯМА алгоритъм, описан в документ с отворен достъп, публикуван в Frontiers in Neuroinformatics, се очаква да симулира 100 милиарда взаимосвързани човешки мозъчни неврони на суперкомпютри. В работата бяха включени учени от немския изследователски център Jülich, Норвежкия университет по естествени науки, Университета в Аахен, японския институт RIKEN и Кралския технологичен институт KTH в Стокхолм.

От 2014 г. на суперкомпютрите RIKEN и JUQUEEN в суперкомпютърния център Jülich в Германия се изпълняват мащабни симулации на невронни мрежи, симулирайки връзките на приблизително 1% от невроните в човешкия мозък. Защо само толкова много? Могат ли суперкомпютрите да симулират целия мозък?

Сузане Кункел от шведската компания KTH обяснява.

По време на симулацията, потенциал за действие на неврон (къси електрически импулси) трябва да бъде изпратен до приблизително всичките 100 XNUMX души. малки компютри, наречени възли, всеки оборудван с определен брой процесори, които извършват действителните изчисления. Всеки възел проверява кои от тези импулси са свързани с виртуалните неврони, които съществуват в този възел.

4. Моделиране на мозъчните връзки на невроните, т.е. ние сме само в началото на пътуването (1%)

Очевидно количеството компютърна памет, изисквана от процесорите за тези допълнителни битове на неврон, се увеличава с размера на невронната мрежа. За да се надхвърли симулацията от 1% на целия човешки мозък (4), ще е необходимо XNUMX пъти повече памет от това, което е налично във всички суперкомпютри днес. Следователно би могло да се говори за получаване на симулация на целия мозък само в контекста на бъдещи екзамащабни суперкомпютри. Тук трябва да работи следващото поколение алгоритъм NEST.

ТОП-5 суперкомпютри в света

1. Sanway TaihuLight – 93 PFLOPS суперкомпютър, пуснат на пазара през 2016 г. в Wuxi, Китай. От юни 2016 г. той оглавява списъка TOP500 на суперкомпютри с най-висока изчислителна мощност в света.

2. Тянхе-2 (Млечният път-2) е суперкомпютър с изчислителна мощност от 33,86 PFLOPS, създаден от NUDT () в Китай. От юни 2013г

до юни 2016 г. беше най-бързият суперкомпютър в света.

3. Пийз Динт - дизайн, разработен от Cray, инсталиран в Швейцарския национален суперкомпютърен център (). Наскоро беше надграден - ускорителите Nvidia Tesla K20X бяха заменени с нови, Tesla P100, което направи възможно увеличаването на изчислителната мощност от 2017 на 9,8 PFLOPS през лятото на 19,6 г.

4. Гьокоу е суперкомпютър, разработен от ExaScaler и PEZY Computing. Намира се в Японската агенция за морска наука и технологии (JAMSTEC) към Института по геонауки в Йокохама; на същия етаж като симулатора на Земята. Мощност: 19,14 PFLOPs.

5. Титан е 17,59 PFLOPS суперкомпютър, произведен от Cray Inc. и стартира през октомври 2012 г. в Националната лаборатория Оук Ридж в Съединените щати. От ноември 2012 г. до юни 2013 г. Titan беше най-бързият суперкомпютър в света. В момента е на пето място, но все още е най-бързият суперкомпютър в САЩ.

Те също се състезават за надмощие в кванта

IBM смята, че през следващите пет години не суперкомпютри, базирани на традиционните силициеви чипове, а ще започнат излъчване. Индустрията тепърва започва да разбира как могат да се използват квантовите компютри, според изследователите на компанията. Очаква се инженерите да открият първите големи приложения за тези машини само за пет години.

Квантовите компютри използват изчислителна единица, наречена kubitem. Обикновените полупроводници представят информация под формата на последователности от 1 и 0, докато кубитите проявяват квантови свойства и могат едновременно да извършват изчисления като 1 и 0. Това означава, че два кубита могат едновременно да представят последователности от 1-0, 1-1, 0-1 . ., 0-0. Изчислителната мощност нараства експоненциално с всеки кубит, така че теоретично квантов компютър само с 50 кубита може да има повече процесорна мощност от най-мощните суперкомпютри в света.

D-Wave Systems вече продава квантов компютър, за който се твърди, че има 2. кубити. въпреки това D-Wav копияe(5) са спорни. Въпреки че някои изследователи са ги използвали добре, те все още не са превъзхождали класическите компютри и са полезни само за определени класове оптимизационни проблеми.

5. D-Wave квантови компютри

Преди няколко месеца Google Quantum AI Lab показа нов 72-кубитов квантов процесор, наречен конуси с четина (6). Скоро може да постигне "квантово надмощие", като надмине класическия суперкомпютър, поне когато става въпрос за решаване на някои проблеми. Когато квантовият процесор демонстрира достатъчно нисък процент на грешки при работа, той може да бъде по-ефективен от класическия суперкомпютър с добре дефинирана ИТ задача.

6. Bristlecone 72 qubit квантов процесор

Следващият по ред беше процесорът на Google, защото през януари например Intel обяви собствена 49-кубитова квантова система, а по-рано IBM представи 50-кубитова версия. Intel чип, Loihi, той е иновативен и по други начини. Това е първата "невроморфна" интегрална схема, предназначена да имитира как човешкият мозък научава и разбира. Той е "напълно функционален" и ще бъде достъпен за изследователски партньори по-късно тази година.

Това обаче е само началото, защото за да можете да се справите със силициеви чудовища, ви трябва z милиони кубити. Група учени от Холандския технически университет в Делфт се надяват, че начинът за постигане на такъв мащаб е използването на силиций в квантовите компютри, защото техните членове са намерили решение как да използват силиций за създаване на програмируем квантов процесор.

В своето проучване, публикувано в списание Nature, холандският екип контролира въртенето на един електрон, използвайки микровълнова енергия. В силиция електронът ще се върти нагоре и надолу едновременно, като ефективно го задържа на място. След като това беше постигнато, екипът свърза два електрона заедно и ги програмира да изпълняват квантови алгоритми.

Беше възможно да се създаде на базата на силиций двубитов квантов процесор.

Д-р Том Уотсън, един от авторите на изследването, обясни пред Би Би Си. Ако Уотсън и неговият екип успеят да слеят още повече електрони, това може да доведе до бунт. кубит процесоритова ще ни доведе една крачка по-близо до квантовите компютри на бъдещето.

- Който изгради напълно функциониращ квантов компютър, ще управлява света Манас Мукерджи от Националния университет на Сингапур и главен изследовател в Националния център за квантови технологии наскоро каза в интервю. Надпреварата между най-големите технологични компании и изследователски лаборатории в момента е фокусирана върху т.нар квантово надмощие, точката, в която квантовият компютър може да извършва изчисления отвъд всичко, което най-модерните съвременни компютри могат да предложат.

Горните примери за постиженията на Google, IBM и Intel показват, че компаниите от САЩ (а оттам и държавата) доминират в тази област. Съвсем наскоро обаче китайската Alibaba Cloud пусна 11-кубитова облачна изчислителна платформа, която позволява на учените да тестват нови квантови алгоритми. Това означава, че Китай в областта на квантовите изчислителни блокове също не покрива крушите с пепел.

Въпреки това, усилията за създаване на квантови суперкомпютри не само са ентусиазирани от новите възможности, но и предизвикват противоречия.

Преди няколко месеца, по време на Международната конференция по квантови технологии в Москва, Александър Лвовски (7) от Руския квантов център, който е и професор по физика в университета в Калгари в Канада, каза, че квантовите компютри инструмент за унищожаванебез създаване.

7. Професор Александър Лвовски

Какво е имал предвид той? На първо място, цифровата сигурност. Понастоящем цялата чувствителна цифрова информация, предавана по интернет, е криптирана, за да се защити поверителността на заинтересованите страни. Вече сме виждали случаи, когато хакери могат да прихванат тези данни, като разбият криптирането.

Според Лвов появата на квантов компютър само ще улесни киберпрестъпниците. Нито един инструмент за криптиране, известен днес, не може да се защити от процесорната мощност на истински квантов компютър.

Медицински досиета, финансова информация и дори тайните на правителствата и военните организации ще бъдат достъпни в тиган, което би означавало, както отбелязва Лвовски, че новата технология може да застраши целия световен ред. Други експерти смятат, че опасенията на руснаците са неоснователни, тъй като създаването на истински квантов суперкомпютър също ще позволи инициира квантовата криптография, се счита за неразрушим.

Друг подход

В допълнение към традиционните компютърни технологии и разработването на квантови системи, различни центрове работят и върху други методи за изграждане на суперкомпютри на бъдещето.

Американската агенция DARPA финансира шест центъра за алтернативни компютърни дизайнерски решения. Архитектурата, използвана в съвременните машини, се нарича условно архитектура на фон НойманО, той вече е на седемдесет години. Подкрепата на отбранителната организация за университетски изследователи има за цел да разработи по-интелигентен подход за работа с големи количества данни от всякога.

Буфериране и паралелни изчисления Ето няколко примера за новите методи, върху които работят тези екипи. Друг ADA (), което улеснява разработването на приложения чрез преобразуване на компонентите на процесора и паметта с модули в един модул, вместо да се занимава с проблемите на тяхното свързване на дънната платка.

Миналата година екип от изследователи от Обединеното кралство и Русия успешно демонстрира, че типът "Вълшебен прах"от които са съставени светлина и материя - в крайна сметка превъзхожда по "производителност" дори и най-мощните суперкомпютри.

Учени от британските университети в Кеймбридж, Саутхемптън и Кардиф и руския институт Сколково са използвали квантови частици, известни като поляритоникоето може да се определи като нещо между светлина и материя. Това е напълно нов подход към компютърните изчисления. Според учените той може да формира основата на нов тип компютър, способен да решава нерешими в момента въпроси – в различни области, като биология, финанси и космически пътувания. Резултатите от изследването са публикувани в списание Nature Materials.

Не забравяйте, че днешните суперкомпютри могат да се справят само с малка част от проблемите. Дори хипотетичен квантов компютър, ако бъде построен окончателно, в най-добрия случай ще осигури квадратично ускорение за решаване на най-сложните проблеми. Междувременно поляритоните, които създават "приказен прах", се създават чрез активиране на слоеве от галий, арсен, индий и алуминий с лазерни лъчи.

Електроните в тези слоеве поглъщат и излъчват светлина с определен цвят. Поляритоните са десет хиляди пъти по-леки от електроните и могат да достигнат достатъчна плътност, за да доведат до ново състояние на материята, известно като Кондензат Бозе-Айнщайн (осем). Квантовите фази на поляритоните в него са синхронизирани и образуват единен макроскопичен квантов обект, който може да бъде открит чрез фотолуминесцентни измервания.

8. Графика, показваща кондензат на Бозе-Айнщайн

Оказва се, че в това конкретно състояние поляритонният кондензат може да реши проблема с оптимизация, който споменахме, когато описваме квантовите компютри, много по-ефективно от процесорите, базирани на кубит. Авторите на британско-руските изследвания показват, че при кондензирането на поляритоните техните квантови фази са подредени в конфигурация, съответстваща на абсолютния минимум на сложна функция.

„Ние сме в началото на изследването на потенциала на поляритонните графики за решаване на сложни проблеми“, пише съавторът на Nature Materials проф. Павлос Лагудакис, ръководител на лабораторията по хибридна фотоника в университета в Саутхемптън. "В момента мащабираме нашето устройство до стотици възли, докато тестваме основната процесорна мощност."

В тези експерименти от света на фините квантови фази на светлината и материята дори квантовите процесори изглеждат нещо тромаво и здраво свързано с реалността. Както виждате, учените не само работят върху суперкомпютрите на утрешния ден и машините на вдругиден, но вече планират какво ще се случи вдругиден.

В този момент достигането на ексаскала ще бъде голямо предизвикателство, тогава ще помислите за следващите етапи от скалата на флопа (9). Както може би се досещате, просто добавянето на процесори и памет към това не е достатъчно. Ако се вярва на учените, постигането на такава мощна изчислителна мощност ще ни позволи да решим мегапроблеми, познати ни, като дешифриране на рак или анализиране на астрономически данни.

9. Бъдещето на суперкомпютрите

Свържете въпроса с отговора

Каква е следващата?

Е, в случая с квантовите компютри възникват въпроси за какво трябва да се използват. Според старата поговорка компютрите решават проблеми, които не биха съществували без тях. Така че вероятно първо трябва да построим тези футуристични супермашини. Тогава проблемите ще възникнат от само себе си.

В какви области могат да бъдат полезни квантовите компютри?

Изкуствен интелект. AI () работи на принципа на обучение чрез опит, който става все по-точен с получаването на обратна връзка и докато компютърната програма стане „умна“. Обратната връзка се основава на изчисления на вероятностите на редица възможни варианти. Вече знаем, че Lockheed Martin, например, планира да използва своя квантов компютър D-Wave за тестване на софтуер за автопилот, който в момента е твърде сложен за класическите компютри, а Google използва квантов компютър за разработване на софтуер, който може да различава автомобилите от забележителностите.

Молекулно моделиране. Благодарение на квантовите компютри ще бъде възможно точно да се моделират молекулярни взаимодействия, като се търсят оптималните конфигурации за химични реакции. Квантовата химия е толкова сложна, че съвременните цифрови компютри могат да анализират само най-простите молекули. Химическите реакции са квантови по природа, защото създават силно заплетени квантови състояния, които се припокриват, така че напълно разработените квантови компютри могат лесно да оценят дори най-сложните процеси. Google вече има разработки в тази област – те са моделирали водородната молекула. Резултатът ще бъдат по-ефективни продукти, от слънчеви панели до лекарства.

Криптография. Системите за сигурност днес зависят от ефективното първично поколение. Това може да се постигне с цифрови компютри, като се разгледат всички възможни фактори, но самото време, необходимо за това, прави „разбиването на код“ скъпо и непрактично. Междувременно квантовите компютри могат да правят това експоненциално, по-ефективно от цифровите машини, което означава, че днешните методи за сигурност скоро ще станат остарели. Съществуват и обещаващи методи за квантово криптиране, които се разработват, за да се възползват от еднопосочния характер на квантовото заплитане. Градските мрежи вече бяха демонстрирани в няколко страни и китайски учени наскоро обявиха, че успешно изпращат заплетени фотони от орбитален „квантов“ спътник до три отделни базови станции обратно на Земята.

Финансово моделиране. Съвременните пазари са сред най-сложните съществуващи системи. Въпреки че научно-математическият апарат за тяхното описание и контрол е разработен, ефективността на подобни дейности все още е до голяма степен недостатъчна поради фундаменталната разлика между научните дисциплини: няма контролирана среда, в която да се провеждат експерименти. За да решат този проблем, инвеститорите и анализаторите се обърнаха към квантовите изчисления. Едно непосредствено предимство е, че произволността, присъща на квантовите компютри, е в съответствие със стохастичния характер на финансовите пазари. Инвеститорите често искат да оценят разпределението на резултатите в много голям брой произволно генерирани сценарии.

Прогноза за времето. Главният икономист на NOAA Родни Ф. Вайхър твърди, че почти 30% от БВП на САЩ (6 трилиона долара) са пряко или косвено зависими от времето. за производство на храни, транспорт и търговия на дребно. По този начин способността за по-добро прогнозиране на аурата би била много полезна в много области, да не говорим за по-дългото време, отделено за защита от природни бедствия. Националното метеорологично подразделение на Обединеното кралство, Met Office, вече е започнало да инвестира в подобни иновации, за да отговори на нуждите от мощност и мащабируемост, с които ще трябва да се справя от 2020 г. нататък, и публикува доклад за собствените си екзамащабни изчислителни нужди.

Физика на частиците. Моделите на физиката на твърдите частици често са изключително сложни, сложни решения, които изискват много изчислително време за числени симулации. Това ги прави идеални за квантови изчисления и учените вече са се възползвали от това. Изследователи от Университета в Инсбрук и Института за квантова оптика и квантова информация (IQOQI) наскоро използваха програмируема квантова система, за да извършат тази симулация. Според публикация в Nature групата използва проста версия на квантов компютър, в който йони извършват логически операции, основните стъпки на всяко компютърно изчисление. Симулацията показа пълно съответствие с реалните експерименти на описаната физика. казва теоретичният физик Питър Золер. -