🥇Millised võivad olla tuleviku arvutisüsteemid

Räägime, mis uut võib andmekeskustes ja mujal ilmneda.

/ фото jesse orrico Unsplash

Arvatakse, et räni transistorid on jõudmas oma tehnoloogilise piirini. Viimati me olen rääkinud rääkisime materjalidest, mis võivad räni asendada ja arutasime alternatiivseid lähenemisviise transistorite arendamiseks. Täna räägime kontseptsioonidest, mis võivad muuta traditsiooniliste arvutussüsteemide tööpõhimõtteid: kvantmasinatest, neurovormilistest kiipidest ja DNA-põhistest arvutitest.

DNA-arvutid

See on süsteem, mis kasutab DNA molekulide arvutusvõimet. DNA niidid koosnevad neljast lämmastikusisalduvast alusest: tsütosiinist, adenosiinist, guaniinist ja tümiinist. Ühendades need teatud järjestuses, on võimalik andmeid kodeerida. Andmete muutmiseks kasutatakse spetsiaalseid ensüüme, mis keemiliste reaktsioonide kaudu pikendavad DNA ahelaid ning lõikavad ja lühendavad neid. Selliseid reaktsioone saab läbi viia molekuli erinevates osades samaaegselt, mis võimaldab paralleelseid arvutusi.

Esimene DNA-põhine arvuti esitati 1994. aastal. Molekulaarbioloogia ja arvutiteaduse professor Leonard Adleman (Leonard Adleman) kasutas mitmeid katseklaase miljardite DNA-molekulidega, et proovida lahendada kaupmiku probleemi seitsme tipuga graafis. Adleman määras oma tipud ja servad DNA fragmentidega, milles oli kakskümmend lämmastikuvat baasi, ning rakendas seejärel meetodi polümeraasi ahelreaktsiooni (PCR).

Adlemana arvuti puuduseks oli selle "kitsas suunatus". See oli välja töötatud ühe ülesande lahendamiseks ning ei suutnud teisi täita. Alates sellest ajast on olukord muutunud — märtsi lõpuks esitasid Meïnut ülikooli ja California Tehnoloogiainstituudi teadlased tutvustanud arvuti, kuhu andmed laaditakse DNA järjestustena ja mida saab ümber programmeerida.

Süsteem on võimeline avama tee uue tüübi arvutussüsteemidele, kuid lahendada tuleb andmete aeglane sisestamine ja väljastamine (protsess sekveneerimine on üsna kulukas ja aega nõudev).

Hoolimata raskustest on eksperdid ütlevad, mis tulevikus DNA-arvutid, mille suurus on tänapäeva lauaarvutitega, ületavad superarvutite tootlikkust. Need saavad rakendust andmekeskustes, mis tegelevad suurte andmemahtude töötlemisega.

Neurovormilised protsessorid

Termin «neurovormiline» viitab sellele, et kiibi arhitektuur põhineb inimaju töö põhimõtetel. Sellised protsessorid simuleerivad miljonite neuronite tööd, mille väljasopistused nimetatakse aksoniteks ja dendriitideks. Esimesed vastutavad teabe edastamise eest, teised aga selle tajumise eest. Neuronid on omavahel ühendatud sünapside kaudu — spetsiaalsete ühendustega, mille kaudu edastatakse elektrilisi signaale (närviimpulsse).

Esmakordselt ilmus idee neurovormiliste süsteemide loomisest juba 1990. aastatel. Kuid tõsiselt hakkasid selle valdkonna arendused pihta pärast 2000. aastaid. IBM Researchi spetsialistid käivitasid projekteerisid projekti SyNAPSE, mille eesmärk oli arendada arvutit, mille arhitektuur erineb von Neumanni arhitektuurist. Selle projekti raames kavandas ettevõte kiibi TrueNorth. See simuleerib miljoni neuroni ja 256 miljoni sünapsi tööd.

Neuromorfsed protsessorite kallal töötavad mitte ainult IBM. Alates 2017. aastast arendab ettevõte Intel kiipi Loihi. Selle koostises on 130 000 kunstlikku neuronit ja 130 miljonit sünapsi. Aasta tagasi lõpetas ettevõte prototüübi arendamise 14-nanomeetri tehnoloogilisel protsessil. Neuromorfsed seadmed võimaldavad kiirendada närvivõrkude õpetamist. Sellised kiibid, erinevalt klassikalistest protsessoritest, ei pea pidevalt registrite või mälu poole andmeid küsima. Kogu teave on pidevalt salvestatud kunstlikes neuronites. See omadus võimaldab koolitada närvivõrke kohapeal (ilma andmesalvestusele ühendamata, kus on testandmete kogum). Oodatakse, et neuromorfsed protsessorid leiavad rakendust nutitelefonides ja asjade Interneti seadmetes. Kuid praegu ei saa tehnoloogia laialdasest kasutuselevõtust tarbeseadmetes rääkida.

Kvantmasinad

Oodatakse, et neuromorfsed protsessorid leiavad rakendust nutitelefonides ja asjade interneti seadmetes. Siiski ei saa veel rääkida tehnoloogia laialdasest kasutusele võtmisest tarbija seadmetes.

Kvantarvutid

Kvantaarvutite aluseks on kubiidid. Nende töö põhineb kvantfüüsika printsiipidel — segaduses ja superpositsioonis. Superpositsioon võimaldab kubiidil olla samaaegselt null- ja ühteteisel. Segadus on nähtus, kus mitme kubiidi olekud on omavahel seotud. Selline lähenemine võimaldab teostada operatsioone nulli ja ühiku samal ajal.

Millised võivad olla tuleviku arvutussüsteemid
/ фото IBM Research CC BY-NA

Tulemuseks on kvantaarvutid, mis lahendavad mitmeid ülesandeid oluliselt kiiremini kui traditsioonilised süsteemid. Näiteks võivad olla majanduslike, keemiliste ja meditsiiniliste valdkondade matemaatiliste mudelite koostamine ning krüptograafilised operatsioonid.

Käesoleval ajal tegeleb kvantarvutite arendamisega suhteliselt väike arv ettevõtteid. Nende hulgas on IBM oma 50-kubiidise kvantaarvutiga, Intel oma 49-kubiidise ja InoQ, mis testib 79-kubiidist seadet. Samuti on selles valdkonnas aktiivsed Google, Rigetti ja D-Wave.

Kvantaarvutite masstestimine on veel vara. Isegi kui mitte arvestada seadmete kõrget hinda, on neil tõsised tehnoloogilised piirangud.

Eriti kvantmasinad töötavad temperatuuridel lähedal absoluutsele nullile. Seetõttu paigaldatakse sellised masinad ainult spetsialiseeritud laborites. See on sunnitud samm, et kaitsta delikaatseid kubite, mis suudavad säilitada superpositsiooni vaid mõne sekundi jooksul (igal temperatuurikõikumisel on nende dekoherents).

Kuigi aasta alguses esitles IBM tutvustanud kvantkompuutrit, mis on suuteline töötama laboriväliselt rangelt kontrollitud keskkonnas – näiteks kohalikes andmekeskustes. Kuid seadmeid hetkel osta ei saa, nende võimeid on võimalik ainult pilveplatvormi kaudu rentida. Ettevõte lubab, et tulevikus saab seda arvutit omada iga soovija, kuid millal see juhtub – on hetkel teadmata.

Materjalid meie Telegrami kanalist:

Allikas: habr.com