🥇Какви могат да бъдат компютърните системи на бъдещето

Разказваме какво ново може да се появи в дата центровете и не само в тях.

/ фото jesse orrico Unsplash

Смята се, че силиконовите транзистори приближават своя технологичен предел. Последния път ние разказваха за материалите, които могат да заменят силиция и обсъждаха алтернативните подходи за разработка на транзистори. Днес говорим за концепции, способни да трансформират принципите на работа на традиционните изчислителни системи: квантови машини, нейроморфни чипове и компютри на основата на ДНК..

ДНК компютри

Това е система, която използва изчислителните възможности на молекулите на ДНК. Височините на ДНК се състоят от четири азотни основания: цитозин, аденин, гуанин и тимин. Свързвайки ги в определена последователност, може да се кодира информация. За промяна на данните се използват специални ензими, които чрез химични реакции удължават веригите на ДНК, а също така ги разрязват и съкратяват. Такива реакции могат да се провеждат в различни части на молекулата едновременно, което позволява извършването на паралелни изчисления.

Първият компютър на базата на ДНК бе представен през 1994 година. Професорът по молекулярна биология и компютърни науки Леонард Адлеман (Leonard Adleman) използва няколко епруветки с милиарди молекули ДНК, за да се опита да реши задачата на търговския пътник за граф с седем върха. Той означи върховете и ръбовете с фрагменти на ДНК с двадесет азотни основания и след това приложи метода на полимеразната верижна реакция (ПЦР).

Недостатъкът на компютъра на Адлеман беше неговата "узкоспектринност". Той беше насочен към решаването на една задача и не можеше да изпълнява други. От тогава ситуацията се е променила – в края на март учени от университета Мейнут и Калифорнийския технологичен институт представиха представиха компютър, в който данните се зареждат под формата на последователности ДНК и могат да бъдат препрограмирани.

Системата има потенциал да отвори нов тип изчислителни системи, остава да се реши проблемът с бавния вход и изход на данни (процесът на секвениране е доста скъп и отнема много време).

Въпреки трудностите, експертите казват, което в бъдеще ДНК-компютрите с размерите на съвременни десктопи ще надминат суперкомпютрите по производителност. Те ще намерят приложение в дата центрове, които обработват големи обеми данни.

Нейроморфни процесори

Терминът «нейроморфен» обозначава, че архитектурата на чипа е основана на принципите на работа на човешкия мозък. Тези процесори емулират работата на милиони неурони с отрастъци, наричани аксони и дендрити. Първите отговарят за предаването на информация, а вторите - за нейното възприемане. Неуроните са свързани помежду си със синапси - специализирани контакти, чрез които се предават електрически сигнали (нервни импулси).

Идеята за създаването на нейроморфни системи се появява за първи път още през 90-те години. Но сериозно разработките в тази област започват след 2000-те години. Специалисти от IBM Research стартираха проект SyNAPSE, чиято цел беше разработването на компютър с архитектура, различна от архитектурата на фон Нойман. В рамките на този проект компанията проектира чипа TrueNorth. Той емулира работата на милион неурони и 256 милиона синапси.

Над нейроморфните процесори работят не само в IBM. Компанията Intel от 2017 година разработва чип Loihi. В него са включени 130 хиляди изкуствени неурони и 130 млн синапси. Преди година компанията завърши разработването на прототип по 14-нм технологичен процес.

Нейроморфните устройства позволяват да се ускори обучението на невронните мрежи. Тези чипове, за разлика от класическите процесори, не се нуждаят от редовно обращение към регистрите или паметта за данни. Цялата информация постоянно се съхранява в изкуствени неурони. Тази особеност ще позволи обучението на невронни мрежи локално (без свързване с хранилище на тестови данни).

Очаква се, че нейроморфните процесори ще намерят приложение в смартфони и устройства за интернет на нещата. Но в момента не може да се говори за мащабно внедряване на технологията в потребителски устройства.

Квантови машини

Основата на квантовите компютри са кубитите. Работата им се основава на принципите на квантовата физика — заплитането и суперпозицията. Суперпозицията позволява на кубита да бъде в състояние на нула и едно едновременно. Заплитането е явление, при което състоянията на няколко кубита са взаимосвързани. Този подход позволява извършването на операции с нула и единица едновременно.

Какви могат да бъдат компютърните системи на бъдещето
/ фото IBM Research CC BY-NA

В резултат на това — квантовите компютри решават редица задачи значително по-бързо от традиционните системи. Примерите може да бъдат изграждане на математически модели в финансите, химията и медицинската област, както и криптографски операции.

Към момента развитието на квантовите изчисления се извършва от относително малко компании. Сред тях се открояват IBM с техния 50-кубитен квантов компютър, Intel с 49-кубитен и InoQ, която тества 79-кубитно устройство. В тази област работят също Google, Rigetti и D-Wave.

О масовото внедряване на квантовите компютри още е рано да се говори. Дори да не се взима предвид високата цена на апаратите, те имат сериозни технологични ограничения.

По-специално, квантовите машини работят при температура близка до абсолютната нула. Ето защо тези апарати се поставят само в специализирани лаборатории. Това е принудителна мярка за защита на крехките кубити, които могат да поддържат суперпозиция през единствено няколко секунди (всяка температурна колебание води до тяхната декогеренция).

Въпреки това в началото на годината IBM представиха представи квантов компютър, способен да работи извън лабораторията в строго контролирана среда — например, в локални дата центрове на компании. Но купуването на апарата все още не е възможно, може само да се наемат мощностите му през облачна платформа. Компанията обещава, че в бъдеще всеки желаещ ще може да закупи този компютър, но кога това ще се случи — все още не е известно.

Материали от нашия Telegram канал:

Източник: habr.com