Wir berichten, welche Innovationen in Rechenzentren und darüber hinaus auftauchen könnten.
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Es wird angenommen, dass siliciumbasierte Transistoren sich ihrem technologischen Limit nähern. Bei der letzten Diskussion haben wir Materialien erörtert, die Silizium ersetzen könnten, und Quantenmaschinen, neuromorphe Chips und DNA-basierte Computer. DNA-Computer.
Das ist ein System, das die Rechenkapazitäten von DNA-Molekülen nutzt. DNA-Stränge bestehen aus vier Stickstoffbasen: Cytosin, Adenin, Guanin und Thymin. Durch die Verknüpfung dieser Basen in einer bestimmten Reihenfolge kann Informationen kodiert werden. Um Daten zu ändern, kommen spezielle Enzyme zum Einsatz, die durch chemische Reaktionen DNA-Stränge erweitern sowie sie schneiden und kürzen. Solche Reaktionen können an verschiedenen Stellen des Moleküls gleichzeitig durchgeführt werden, was paralleles Rechnen ermöglicht.
Dies ist ein System, das die Rechenkapazitäten von DNA-Molekülen nutzt. DNA-Stränge bestehen aus vier stickstoffhaltigen Basen: Cytosin, Adenin, Guanin und Thymin. Durch die Verknüpfung dieser Basen in einer bestimmten Reihenfolge können Informationen codiert werden. Für die Datenveränderung kommen spezielle Enzyme zum Einsatz, die mithilfe chemischer Reaktionen die DNA-Stränge verlängern, schneiden und kürzen. Solche Reaktionen können gleichzeitig in verschiedenen Teilen des Moleküls durchgeführt werden, was paralleles Rechnen ermöglicht.
Der erste Computer auf Basis von DNA wurde 1994 vorgestellt. Professor für Molekularbiologie und Informatik (Leonard Adleman) verwendete mehrere Reagenzgläser mit Milliarden von DNA-Molekülen, um zu versuchen, das für einen Graphen mit sieben Knoten zu lösen. Seine Knoten und Kanten bezeichnete Adleman mit DNA-Fragmenten, die zwanzig Basenpaare enthielten, und wandte anschließend die (PCR) an.
Ein Nachteil von Adlemans Computer war seine "Spezialisation". Er war darauf ausgelegt, eine bestimmte Aufgabe zu lösen und konnte keine anderen ausführen. Seither hat sich die Situation geändert – Ende März präsentierten Wissenschaftler der Maynooth University und des California Institute of Technology einen Computer, bei dem Daten in Form von DNA-Sequenzen geladen und umprogrammiert werden können.
Das System könnte den Weg zu einer neuen Art von Computersystemen ebnen, jedoch bleibt das Problem der langsamen Datenaufnahme und -abgabe zu lösen (der ist ziemlich kostspielig und zeitaufwendig).
Trotz der Schwierigkeiten sind Experten , wobei in naher Zukunft DNA-Computer in der Größe moderner Desktop-Computer in Bezug auf die Leistungsfähigkeit über Supercomputer hinauswachsen könnten. Sie könnten in Rechenzentren eingesetzt werden, die sich mit der Verarbeitung großer Datenmengen befassen.
Neuromorphe Prozessoren
Der Begriff „neuromorph“ bedeutet, dass die Architektur des Chips auf den Funktionsweisen des menschlichen Gehirns basiert. Solche Prozessoren simulieren die Arbeit von Millionen von Neuronen mit Fortsätzen, die Axone und Dendriten genannt werden. Erstere sind für die Informationsübertragung verantwortlich, während letztere für deren Wahrnehmung zuständig sind. Die Neuronen sind durch Synapsen verbunden – spezielle Kontakte, über die elektrische Signale (Nervenimpulse) übertragen werden.
Die Idee zur Schaffung neuromorpher Systeme entstand erstmals . Doch ernsthafte Entwicklungen in diesem Bereich wurden erst nach den 2000er Jahren vorangetrieben. Spezialisten von IBM Research das Projekt SyNAPSE, dessen Ziel die Entwicklung eines Computers mit einer von der von von Neumann abweichenden Architektur war. Im Rahmen dieses Projekts entwarf das Unternehmen den Chip . Er emuliert die Arbeitsweise von einer Million Neuronen und 256 Millionen Synapsen.
An nicht nur IBM arbeitet an neuromorphen Prozessoren. Auch das Unternehmen Intel entwickelt seit 2017 Loihi-Chip. Dieser besteht aus 130.000 künstlichen Neuronen und 130 Millionen Synapsen. Vor einem Jahr hat das Unternehmen eines Prototyps im 14-nm-Fertigungsprozess abgeschlossen.
Neuromorphe Geräte ermöglichen eine schnellere Ausbildung von neuronalen Netzen. Im Gegensatz zu klassischen Prozessoren müssen diese Chips nicht regelmäßig auf Register oder Speicher zugreifen. Alle Informationen werden permanent in künstlichen Neuronen gespeichert. Diese Eigenschaft ermöglicht es, neuronale Netze lokal zu trainieren (ohne eine Verbindung zu einem Speicher mit Testdaten).
Es wird erwartet, dass neuromorphe Prozessoren in Smartphones und Internet-of-Things-Geräten Anwendung finden. Bisher ist jedoch keine großflächige Implementierung der Technologie in Endgeräten abzusehen.
Quantenmaschinen
Die Grundlage von Quantencomputern bilden Qubits. Ihre Funktionsweise beruht auf den Prinzipien der Quantenphysik – Verschränkung und Überlagerung. Überlagerung ermöglicht es einem Qubit, sich gleichzeitig in einem Zustand von null und eins zu befinden. Verschränkung ist ein Phänomen, bei dem die Zustände mehrerer Qubits miteinander verbunden sind. Dieser Ansatz erlaubt es, Operationen mit null und eins gleichzeitig durchzuführen.
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Infolgedessen lösen Quantencomputer eine Reihe von Aufgaben deutlich schneller als herkömmliche Systeme. Beispiele dafür der Aufbau mathematischer Modelle in den Bereichen Finanzen, Chemie und Medizin sowie kryptografische Operationen.
Bis heute wird die Entwicklung von Quantencomputing von relativ wenigen Unternehmen betrieben. Dazu gehört IBM mit ihrem Quantencomputer, Intel mit und InoQ, die ein . Auch in diesem Bereich sind , und .
Aktuell ist es noch zu früh, um von einer breiten Einführung von Quantencomputern zu sprechen. Selbst wenn man die hohen Kosten der Geräte außer Acht lässt, weisen sie erhebliche technologische Einschränkungen auf.
Insbesondere arbeiten Quantenmaschinen bei Temperaturen . Daher werden solche Geräte nur in spezialisierten Laboren installiert. Dies ist eine notwendige Maßnahme, um die empfindlichen Qubits zu schützen, die nur für einige Sekunden in der Lage sind, eine Superposition aufrechtzuerhalten (jegliche Temperaturschwankungen führen zu ihrer ).
). Obwohl IBM zu Beginn des Jahres einen Quantencomputer vorgestellt hat, der außerhalb eines Labors in einer streng kontrollierten Umgebung — beispielsweise in den lokalen Rechenzentren von Unternehmen — betrieben werden kann. Derzeit kann das Gerät jedoch nicht gekauft werden, sondern nur die Kapazitäten über die Cloud-Plattform gemietet werden. Das Unternehmen verspricht, dass dieser Computer in Zukunft von jedem gekauft werden kann, aber wann dies geschehen wird, ist noch unbekannt.
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Quelle: habr.com
