Opowiadamy, co nowego może się pojawić w centrach danych i nie tylko w nich.
/ фото Unsplash
Uważa się, że tranzystory krzemowe zbliżają się do swojego technologicznego ograniczenia. Ostatnim razem mówiliśmy o materiałach, które mogą zastąpić krzem i alternatywnych podejściach do rozwoju tranzystorów. Dziś rozmawiamy o koncepcjach, które mogą zmienić zasady działania tradycyjnych systemów obliczeniowych: maszynach kwantowych, chipach neuromorficznych i komputerach opartych na DNA.
Komputery DNA
To system, który wykorzystuje możliwości obliczeniowe cząsteczek DNA. Łańcuchy DNA składają się z czterech zasad azotowych: cytozyny, adeniny, guaniny i tyminy. Łącząc je w określonej sekwencji, można kodować informacje. Do zmiany danych używane są specjalne enzymy, które za pomocą reakcji chemicznych rozbudowują łańcuchy DNA, a także je tnę i skracają. Takie reakcje można przeprowadzać w różnych częściach cząsteczki jednocześnie, co pozwala na równoległe obliczenia.
Pierwszy komputer oparty na DNA zaprezentowano w 1994 roku. Profesor biologii molekularnej i informatyki (Leonard Adleman) użył kilku probówek z miliardami cząsteczek DNA, aby spróbować rozwiązać dla grafu z siedmioma wierzchołkami. Jego wierzchołki i krawędzie Adleman oznaczył fragmentami DNA z dwudziestoma zasadami azotowymi, a następnie zastosował metodę (PCR).
Wadą komputera Adlemana była jego „ukierunkowanie”. Był dostosowany do rozwiązywania jednego problemu i nie mógł wykonywać innych. Od tego czasu sytuacja się zmieniła — pod koniec marca naukowcy z uniwersytetu Maynooth i California Institute of Technology stworzyli komputer, do którego dane są ładowane w postaci sekwencji DNA i mogą być przeprogramowywane.
System ten może otworzyć drogę nowemu typowi systemów obliczeniowych, pozostaje jednak problem z wolnym wejściem i wyjściem danych (proces jest dość kosztowny i czasochłonny).
Mimo trudności, eksperci , co w przyszłości komputery DNA wielkości współczesnych desktopów będą miały przewagę wydajnościową nad superkomputerami. Znajdą zastosowanie w centrach danych zajmujących się przetwarzaniem dużych zbiorów danych.
Procesory neuromorficzne
Termin „neuromorficzny” oznacza, że architektura chipu opiera się na zasadach działania ludzkiego mózgu. Takie procesory emulują działanie milionów neuronów z wypustkami, które nazywane są aksonami i dendrytami. Pierwsze odpowiadają za przesyłanie informacji, a drugie – za jej odbiór. Neurony połączone są synapsami – specjalnymi punktami, przez które przesyłane są sygnały elektryczne (impulsy nerwowe).
Pomysł stworzenia systemów neuromorficznych pojawił się po raz pierwszy . Jednak poważniejsze prace w tej dziedzinie rozpoczęły się po 2000 roku. Specjaliści z IBM Research opracowali projekt SyNAPSE, którego celem było stworzenie komputera o architekturze różniącej się od architektury von Neumanna. W ramach tego projektu firma zaprojektowała chip . Emuluje on działanie miliona neuronów i 256 milionów synaps.
Nad procesorami neuromorficznymi pracuje nie tylko IBM. Firma Intel od 2017 roku chip Loihi. W jego składzie znajduje się 130 tysięcy sztucznych neuronów i 130 mln synaps. Rok temu firma opracowanie prototypu w technologii 14-nm.
Urządzenia neuromorficzne umożliwiają przyspieszenie uczenia się sieci neuronowych. Takie chipy, w przeciwieństwie do klasycznych procesorów, nie muszą regularnie odwoływać się do rejestrów lub pamięci po dane. Cała informacja jest stale przechowywana w sztucznych neuronach. Ta cecha pozwoli na lokalne uczenie sieci neuronowych (bez podłączenia do magazynów z zestawem danych testowych).
Oczekuje się, że procesory neuromorficzne znajdą zastosowanie w smartfonach i urządzeniach internetu rzeczy. Ale na razie nie można mówić o szerokim wdrożeniu tej technologii w urządzeniach użytkowych.
Komputery kwantowe
Podstawą komputerów kwantowych są kubity. Ich działanie opiera się na zasadach fizyki kwantowej — splątaniu i superpozycji. Superpozycja pozwala kubitowi znajdować się w stanie zerowym i jedynkowym jednocześnie. Splątanie to zjawisko, w którym stany kilku kubitów są ze sobą powiązane. Takie podejście umożliwia przeprowadzanie operacji z zerem i jedynką jednocześnie.
/ фото CC BY-NA
W efekcie — komputery kwantowe rozwiązują szereg zadań znacznie szybciej niż tradycyjne systemy. Przykładami budowa modeli matematycznych w finansach, chemii i medycynie, a także operacje kryptograficzne.
Na dzień dzisiejszy rozwojem obliczeń kwantowych zajmuje się stosunkowo niewiele firm. Wśród nich można wyróżnić IBM z ich komputerem kwantowym, Intela z oraz InoQ, która testuje . W tej dziedzinie pracuje również , i .
O masowym wdrożeniu komputerów kwantowych na razie mówienie jest przedwczesne. Nawet nie biorąc pod uwagę wysokiego kosztu sprzętu, mają one poważne ograniczenia technologiczne.
W szczególności, komputery kwantowe działają w temperaturze . Dlatego te urządzenia są instalowane tylko w wyspecjalizowanych laboratoriach. To gruntowna potrzeba ochrony delikatnych kubitów, które mogą utrzymywać superpozycję przez zaledwie kilka sekund (jakiekolwiek wahania temperatury prowadzą do ich ).
Chociaż na początku roku IBM zaprezentowało komputer kwantowy, mogący działać poza laboratorium w ściśle kontrolowanym środowisku — na przykład w lokalnych centrach danych firm. Jednak zakup urządzenia na razie nie jest możliwy, można jedynie wynająć jego moce przez platformę chmurową. Firma obiecuje, że w przyszłości każdy zainteresowany będzie mógł nabyć ten komputer, ale nie wiadomo, kiedy to nastąpi.
Materiały z naszego kanału Telegram:
Źródło: habr.com
