🥇Какви могат да бъдат изчислителните системи на бъдещето

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

Счита се, че силициевите транзистори приближават своя технологичен предел. В миналото говорихме за разказвахме материали, които могат да заменят силиция и обсъждахме алтернативни подходи за разработка на транзистори. Днес говорим за концепции, които могат да трансформират принципите на работа на традиционните изчислителни системи: квантови машини, невроподобни чипове и компютри, базирани на ДНК.

ДНК компютри

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

Първият компютър на базата на ДНК беше 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 коммивояжера за граф с седем върха. Неговите върхове и ръбове Адлеман обозначи с фрагменти от ДНК с двадесет азотни основания, след което приложи метода на полимеразната верижна реакция (ПЦР).

Недостатък на компютъра на Адлеман беше неговата "узкоспециализираност". Той беше настроен за решаване на една задача и не можеше да изпълнява други. Оттогава ситуацията се промени — в края на март учени от университета Мейн и Калифорнийския технологичен институт представиха разработиха компютър, данните в който се зареждат под формата на последователности от ДНК и могат да бъдат пренастройвани.

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

Въпреки сложностите, експертите пише,, което в перспектива ДНК-компютрите с размерите на съвременни десктопи ще надминат суперкомпютрите по производителност. Те ще могат да намерят приложение в центрове за данни, които се занимават с обработка на големи обеми данни.

Нейроморфни процесори

Терминът "нейроморфен" обозначава, че архитектурата на чипа се основава на принципите на работа на човешкия мозък. Такива процесори емилират работата на милиони неврони с отростъци, наречени аксони и дендрити. Първите отговарят за предаването на информация, а вторите — за нейното възприемане. Невроните са свързани помежду си със синапси — специални контакти, по които се предават електрически сигнали (нервни импулси).

Идеята за създаване на нейроморфни системи се появи за първи път в 90-те години. Но сериозно разработките в тази област започнаха след 2000-те. Специалисти от IBM Research успяха проект SyNAPSE, чиято цел беше разработка на компютър с архитектура, различна от архитектурата на фон Нойман. В рамките на този проект компанията проектира чип TrueNorth. Той емилира работата на един милион неврони и 256 милиона синапси.

Над нейроморфните процесори работят не само в IBM. Компанията Intel от 2017 година разработва чип Loihi. В него има 130 хиляди изкуствени неврони и 130 млн синапси. Година по-рано компанията завърши разработи прототип по 14-нм технологичен процес.

Нейроморфните устройства позволяват ускоряване на обучението на невронни мрежи. Такива чипове, в отличие от класическите процесори, не се нуждаят от редовно обръщане към регистрите или паметта за данни. Цялата информация постоянно се съхранява в изкуствени неврони. Тази особеност ще позволи обучаването на невронни мрежи локално (без свързване с хранилище с тестови данни).

Очаква се, че нейроморфните процесори ще намерят приложение в смартфони и устройства на интернет на нещата. Но засега 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 - заплетеност и суперпозиция. Суперпозицията позволява на кубита да бъде в състояние на нула и единица едновременно. Заплетеността е явление, при което състоянията на няколко кубита се оказват взаимосвързани. Такъв 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 много по-бързо от традиционните системи. Примери за могат да бъдат изграждане на математически модели в финансовата, химическата и медицинската области, както и криптографски операции.

Към днешна дата развитието на квантовите изчисления се осъществява от сравнително малко компании. Сред тях можем да отличим IBM с техния 50-кубитен квантов компютър, Intel с 49-кубитен и InoQ, която тества 79-кубитно устройство. Също така в тази област работят Google, Rigetti и D-Wave.

За масовото внедряване на квантовите компютри все още е рано да се говори. Дори и да не се взема предвид високата цена на устройствата, те имат сериозни технологични ограничения.

В частност, квантовите машини работят при температура близка до абсолютната нула. Затова тези устройства се инсталират само в специализирани лаборатории. Това е принудителна мярка за защита на крехките кубити, способни да поддържат суперпозиция за само няколко секунди (всякакви температурни колебания водят до тяхната декохерентност).

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 в момента не може да се купи устройството, може само да се наеме неговата мощност чрез облачна платформа. Компанията обещава, че в бъдеще всеки, който желае, 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