Wir erzählen, welche Neuheiten in Rechenzentren und auch darüber hinaus erscheinen können.
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Es wird angenommen, dass Siliziumtransistoren ihrem technologischen Limit näherkommen. Beim letzten Mal haben wir über Materialien gesprochen, die Silizium ersetzen könnten, und alternative Ansätze zur Entwicklung von Transistoren. Heute sprechen wir über Konzepte, die in der Lage sind, die Prinzipien traditioneller Rechensysteme zu transformieren: quanten Maschinen, neuromorphe Chips und Computer auf DNA-Basis..
DNA-Computer
Das ist ein System, das die Rechenleistung von DNA-Molekülen nutzt. DNA-Stränge bestehen aus vier Stickstoffbasen: Cytosin, Adenin, Guanin und Thymin. Indem man sie in einer bestimmten Reihenfolge verbindet, kann man Informationen kodieren. Zur Änderung von Daten werden spezielle Enzyme verwendet, die durch chemische Reaktionen DNA-Ketten verlängern, schneiden oder verkürzen. Solche Reaktionen können gleichzeitig in verschiedenen Teilen des Moleküls durchgeführt werden, was paralleles Rechnen ermöglicht.
Der erste DNA-Computer wurde 1994 vorgestellt. Der Professor für Molekularbiologie und Informatik (Leonard Adleman) verwendete mehrere Reagenzgläser mit Milliarden von DNA-Molekülen, um zu versuchen, für einen Graphen mit sieben Knoten zu lösen. Seine Knoten und Kanten bezeichnete Adleman mit DNA-Stücken, die zwanzig Stickstoffbasen enthielten, und wandte dann die Methode der (PCR) an.
Ein Nachteil von Adlemans Computer war seine "Spezialisierung". Er war nur für die Lösung einer bestimmten Aufgabe optimiert und konnte keine anderen Aufgaben bearbeiten. Seitdem hat sich die Situation geändert — Ende März präsentierten Forscher der Universität Maynooth und des California Institute of Technology einen Computer, dessen Daten in Form von DNA-Sequenzen geladen werden und umprogrammiert werden können.
Das System könnte den Weg für einen neuen Typ von Rechensystemen ebnen, es bleibt jedoch das Problem mit der langsamen Eingabe und Ausgabe von Daten zu lösen (der Prozess ist recht kostspielig und dauert lange).
Trotz der Schwierigkeiten sind Experten , dass in Zukunft DNA-Computer in der Größe moderner Desktop-Computer in Bezug auf die Leistung Supercomputern überlegen sein werden. Sie könnten in Rechenzentren Anwendung finden, die große Datenmengen verarbeiten.
Neuromorphe Prozessoren
Der Begriff "neuromorph" bedeutet, dass die Architektur des Chips auf den Prinzipien der Funktionsweise des menschlichen Gehirns basiert. Solche Prozessoren emulieren die Arbeit von Millionen von Neuronen mit Fortsätzen, die als Axone und Dendriten bezeichnet werden. Erstere sind für die Informationsübertragung verantwortlich, während letztere für deren Wahrnehmung zuständig sind. Neuronen sind durch Synapsen miteinander verbunden – spezielle Kontakte, über die elektrische Signale (Nervenimpulse) übertragen werden.
Die Idee zur Schaffung neuromorpher Systeme entstand erstmals . Aber ernsthafte Entwicklungen in diesem Bereich begannen erst nach den 2000er Jahren. Spezialisten von IBM Research projekt SyNAPSE, dessen Ziel die Entwicklung eines Computers mit einer anderen Architektur als der von von Neumann war. Im Rahmen dieses Projekts entwarf das Unternehmen einen Chip . Er emuliert die Arbeit von einer Million Neuronen und 256 Millionen Synapsen.
An neuromorphen Prozessoren arbeiten nicht nur bei IBM. Das Unternehmen Intel hat seit 2017 den Chip Loihi. Er enthält 130.000 künstliche Neuronen und 130 Millionen Synapsen. Vor einem Jahr hat das Unternehmen einen Prototyp im 14-nm-Technologieverfahren entwickelt.
Neuromorphe Geräte ermöglichen eine schnellere Ausbildung von neuronalen Netzen. Solche Chips benötigen im Gegensatz zu klassischen Prozessoren nicht ständig Zugriff auf Register oder Speicher für Daten. Alle Informationen werden ständig in künstlichen Neuronen gespeichert. Dieses Merkmal ermöglicht es, neuronale Netze lokal zu trainieren (ohne Verbindung zu einem Speicher mit Testdatensätzen).
Es wird erwartet, dass neuromorphe Prozessoren in Smartphones und Internet-of-Things-Geräten Anwendung finden. Doch zurzeit kann man nicht von einer umfassenden Einführung der Technologie in Verbraucherelektronik sprechen.
Quantenmaschinen
Die Basis von Quantencomputern bilden Qubits. Ihre Funktionsweise beruht auf den Prinzipien der Quantenphysik – Verschränkung und Überlagerung. Überlagerung ermöglicht es einem Qubit, gleichzeitig im Zustand von Null und Eins zu sein. Verschränkung ist das Phänomen, bei dem die Zustände mehrerer Qubits miteinander verknüpft sind. Dieser Ansatz ermöglicht die Durchführung von Operationen mit Null und Eins gleichzeitig.
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Infolgedessen lösen Quantencomputer eine Reihe von Aufgaben wesentlich schneller als traditionelle Systeme. Beispiele dafür der Aufbau mathematischer Modelle in den Bereichen Finanzen, Chemie und Medizin sowie kryptografische Operationen.
Bis heute wird die Entwicklung von Quantenberechnungen von relativ wenigen Unternehmen vorangetrieben. Dazu gehören IBM mit ihrem Quantencomputer, Intel mit einem und InoQ, das ein . Auch in diesem Bereich arbeiten , und .
Über die massenhafte Einführung von Quantencomputern lässt sich derzeit noch nicht sprechen. Selbst wenn man die hohen Kosten der Geräte außer Acht lässt, haben sie erhebliche technologische Einschränkungen.
Insbesondere arbeiten Quantenmaschinen bei Temperaturen Deshalb werden solche Geräte nur in spezialisierten Labors installiert. Dies ist eine notwendige Maßnahme zum Schutz der fragilen Qubits, die die Überlagerung nur wenige Sekunden lang aufrechterhalten können (jegliche Temperaturschwankungen führen zu ihrer ).
Obwohl IBM Anfang des Jahres einen Quantencomputer präsentiert hat, der außerhalb von Laboren in einer streng kontrollierten Umgebung – beispielsweise in lokalen Rechenzentren von Unternehmen – arbeiten kann, ist der Kauf des Geräts derzeit nicht möglich; man kann nur seine Leistung über eine Cloud-Plattform mieten. Das Unternehmen verspricht, dass dieser Computer in Zukunft von jedem Interessierten erworben werden kann, aber wann dies der Fall sein wird, ist noch unbekannt. Materialien aus unserem Telegram-Kanal:
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Quelle: habr.com
