Хоризонт некадашњег - и даље ...

С једне стране, требало би да нам помогну да победимо рак, тачно предвидимо временске прилике и савладамо нуклеарну фузију. С друге стране, постоји бојазан да ће изазвати глобално уништење или поробити човечанство. У овом тренутку, међутим, компјутерска чудовишта још увек нису у стању да истовремено чине велико добро и универзално зло.

Шездесетих година, најефикаснији рачунари су имали снагу мегафлопс (милиони операција са плутајућим зарезом у секунди). Први рачунар са процесорском снагом изнад КСНУМКС ГФЛОПС (гигафлопс) био Цраи 2, коју је продуцирао Цраи Ресеарцх 1985. године. Први модел са процесорском снагом изнад 1 ТФЛОПС (терафлопс) био АСЦИ Ред, коју је направио Интел 1997. године. Достигнута снага 1 ПФЛОПС (петафлопс). Роадруннер, коју је објавио ИБМ 2008.

Тренутни рекорд рачунарске снаге припада кинеском Сунваи ТаихуЛигхт-у и износи 9 ПФЛОПС.

Иако, као што видите, најмоћније машине још нису достигле стотине петафлопа, све више екасцале системипри чему се мора водити рачуна о снази екафлопсацх (ЕФЛОПС), тј. око више од 1018 операција у секунди. Међутим, такве структуре су још увек у фази пројеката различитог степена софистицираности.

СМАЊЕЊЕ (, операције са помичним зарезом у секунди) је јединица рачунарске снаге која се првенствено користи у научним апликацијама. Свестранији је од претходно коришћеног МИПС блока, што значи број процесорских инструкција у секунди. Флоп није СИ, али се може тумачити као јединица од 1/с.

Потребна вам је ексаскала за рак

Ексафлопс, или хиљаду петафлопа, је више од свих XNUMX најбољих суперкомпјутера заједно. Научници се надају да ће нова генерација машина са таквом снагом донети продор у разним областима.

Екзаскална процесорска снага у комбинацији са брзо напредујућим технологијама машинског учења требало би да помогне, на пример, коначно разбити код рака. Количина података коју лекари морају да имају да би дијагностиковали и лечили рак је толико огромна да је конвенционалним рачунарима тешко да се носе са задатком. У типичној једној студији биопсије тумора, врши се више од 8 милиона мерења, током којих лекари анализирају понашање тумора, његов одговор на фармаколошки третман и ефекат на тело пацијента. Ово је прави океан података.

рекао је Рик Стивенс из Аргон лабораторије америчког Министарства енергетике (ДОЕ). -

Комбинујући медицинска истраживања са рачунарском снагом, научници раде на томе ЦАНДЛЕ систем неуронске мреже (). Ово вам омогућава да предвидите и развијете план лечења прилагођен индивидуалним потребама сваког пацијента. Ово ће помоћи научницима да разумеју молекуларну основу кључних интеракција протеина, развију моделе предиктивног одговора на лекове и предложе оптималне стратегије лечења. Аргонне верује да ће екасцале системи моћи да покрену апликацију ЦАНДЛЕ 50 до 100 пута брже од најмоћнијих супермашина познатих данас.

Стога се радујемо појави суперкомпјутера екасцале. Међутим, прве верзије се неће нужно појавити у САД. Наравно, САД су у трци да их створе, а локална власт у пројекту познатом као Аурора сарађује са АМД-ом, ИБМ-ом, Интелом и Нвидиа-ом, настојећи да буде испред страних конкурената. Међутим, не очекује се да ће се то догодити пре 2021. године. У међувремену, у јануару 2017. године, кинески стручњаци су најавили стварање прототипа егзаскала. Потпуно функционалан модел ове врсте рачунарске јединице је − Тианхе-3 - међутим, мало је вероватно да ће бити готов у наредних неколико година.

Кинези се чврсто држе

Чињеница је да се од 2013. године кинески развој налази на врху листе најмоћнијих рачунара на свету. Годинама је доминирао Тианхе-2а сада палма припада поменутим Сунваи ТаихуЛигхт. Верује се да су ове две најмоћније машине у Средњем краљевству много моћније од свих двадесет и једног суперкомпјутера у Министарству енергетике САД.

Амерички научници, наравно, желе да поврате водећу позицију коју су имали пре пет година и раде на систему који ће им то омогућити. Гради се у Националној лабораторији Оак Риџ у Тенесију. Самит (2), суперкомпјутер који је планиран за пуштање у рад касније ове године. Надмашује снагу Сунваи ТаихуЛигхт-а. Користиће се за тестирање и развој нових материјала који су јачи и лакши, за симулацију унутрашњости Земље помоћу акустичних таласа и за подршку астрофизичким пројектима који истражују порекло универзума.

2. Просторни план суперкомпјутера Самит

У поменутој Националној лабораторији Аргонне научници ускоро планирају да направе још бржи уређај. Познат као АКСНУМКСОчекује се да ће перформансе достићи 200 петафлопса.

У трци суперкомпјутера учествује и Јапан. Иако је недавно донекле засјењено америчко-кинеским ривалством, ова земља планира да покрене АБКИ систем (), нуди 130 петафлопса снаге. Јапанци се надају да се такав суперкомпјутер може користити за развој АИ (вештачке интелигенције) или дубоког учења.

У међувремену, Европски парламент је управо одлучио да направи суперкомпјутер ЕУ вредан милијарду евра. Ово компјутерско чудовиште ће започети свој рад за истраживачке центре нашег континента на прелазу из 2022. у 2023. годину. Машина ће бити уграђена унутар ЕуроГПЦ пројеката његову изградњу ће финансирати државе чланице – па ће и Пољска учествовати у овом пројекту. Његова предвиђена снага се обично назива "пре-екзаскала".

До сада, према рангирању из 2017. године, од пет стотина најбржих суперкомпјутера на свету, Кина има 202 такве машине (40 одсто), док Америка контролише 144 (29 одсто).

Кина такође користи 35% светске рачунарске снаге у поређењу са 30% у САД. Следеће земље са највише суперкомпјутера на листи су Јапан (35 система), Немачка (20), Француска (18) и Велика Британија (15). Вреди напоменути да, без обзира на земљу порекла, свих пет стотина најмоћнијих суперкомпјутера користи различите верзије Линукса ...

Сами дизајнирају

Суперкомпјутери су већ вредан алат који подржава научну и технолошку индустрију. Они омогућавају истраживачима и инжењерима да остваре стабилан напредак (а понекад чак и огромне скокове напред) у областима као што су биологија, временске и климатске прогнозе, астрофизика и нуклеарно оружје.

Остало зависи од њихове моћи. Током наредних деценија, употреба суперкомпјутера може значајно да промени економску, војну и геополитичку ситуацију оних земаља које имају приступ овој врсти најсавременије инфраструктуре.

Напредак у овој области је толико брз да је дизајн нових генерација микропроцесора већ постао превише тежак чак и за бројне људске ресурсе. Из тог разлога, напредни рачунарски софтвер и суперрачунари све више играју водећу улогу у развоју рачунара, укључујући и оне са префиксом „супер“.

3. Јапански суперкомпјутер

Фармацеутске компаније ће ускоро моћи у потпуности да раде захваљујући компјутерским супермоћи обрада огромног броја људских генома, животиње и биљке које ће помоћи у стварању нових лекова и третмана за различите болести.

Још један разлог (заправо један од главних) зашто владе толико улажу у развој суперкомпјутера. Ефикаснија возила ће помоћи будућим војним вођама да развију јасне борбене стратегије у свакој борбеној ситуацији, омогућити развој ефикаснијих система наоружања и подржати агенције за спровођење закона и обавештајне службе у идентификацији потенцијалних претњи унапред.

Нема довољно снаге за симулацију мозга

Нови суперкомпјутери би требало да помогну у дешифровању природног суперкомпјутера који нам је одавно познат – људског мозга.

Међународни тим научника недавно је развио алгоритам који представља важан нови корак у моделирању неуронских веза мозга. Нова НЕМА алгоритма, описан у документу отвореног приступа објављеном у Фронтиерс ин Неуроинформатицс, очекује се да ће симулирати 100 милијарди међусобно повезаних неурона људског мозга на суперкомпјутерима. У рад су били укључени научници из немачког истраживачког центра Јулицх, Норвешког универзитета природних наука, Универзитета у Ахену, јапанског института РИКЕН и Краљевског технолошког института КТХ у Стокхолму.

Од 2014. године, велике симулације неуронске мреже раде на суперкомпјутерима РИКЕН и ЈУКУЕЕН у Суперкомпјутерском центру Јулицх у Немачкој, симулирајући везе приближно 1% неурона у људском мозгу. Зашто само толико? Могу ли суперкомпјутери симулирати цео мозак?

Сусанне Кункел из шведске компаније КТХ објашњава.

Током симулације, акциони потенцијал неурона (кратки електрични импулси) мора бити послат на приближно свих 100 људи. мали рачунари, звани чворови, од којих је сваки опремљен одређеним бројем процесора који обављају стварне прорачуне. Сваки чвор проверава који од ових импулса су повезани са виртуелним неуронима који постоје у овом чвору.

4. Моделовање можданих веза неурона, тј. тек смо на почетку пута (1%)

Очигледно, количина рачунарске меморије која је потребна процесорима за ове додатне битове по неурону расте са величином неуронске мреже. За превазилажење симулације од 1% целог људског мозга (4) било би потребно XNUMX пута више меморије него што је данас доступно у свим суперкомпјутерима. Стога би се о добијању симулације целог мозга могло говорити само у контексту будућих ексаскалних суперкомпјутера. Овде би требало да ради следећа генерација НЕСТ алгоритма.

ТОП-5 суперкомпјутера света

1. Санваи ТаихуЛигхт – Суперкомпјутер од 93 ПФЛОПС лансиран 2016. године у Вуксију у Кини. Од јуна 2016. налази се на врху листе ТОП500 суперкомпјутера са највећом рачунарском снагом на свету.

2. Тианхе-2 (Млечни пут-2) је суперкомпјутер са рачунарском снагом од 33,86 ПФЛОПС који је направио НУДТ () у Кини. Од јуна 2013

до јуна 2016. био је најбржи суперкомпјутер на свету.

3. Пеасе Динт - дизајн који је развио Цраи, инсталиран у Швајцарском националном суперкомпјутерском центру (). Недавно је надограђен – Нвидиа Тесла К20Кс акцелератори су замењени новим, Тесла П100, што је омогућило повећање рачунарске снаге са 2017 на 9,8 ПФЛОПС у лето 19,6. године.

4. Гиокоу је суперкомпјутер који су развили ЕкаСцалер и ПЕЗИ Цомпутинг. Налази се у Јапанској агенцији за науку и технологију мора (ЈАМСТЕЦ) Института за геонауке у Јокохами; на истом спрату као и симулатор Земље. Снага: 19,14 ПФЛОПс.

5. Titanijum је суперкомпјутер од 17,59 ПФЛОПС који производи Цраи Инц. и лансиран у октобру 2012. године у Националној лабораторији Оак Риџ у Сједињеним Државама. Од новембра 2012. до јуна 2013. Титан је био најбржи суперкомпјутер на свету. Тренутно је на петом месту, али је и даље најбржи суперкомпјутер у САД.

Они се такође такмиче за превласт у кванту

ИБМ верује да ће у наредних пет година почети емитовање не суперкомпјутера заснованих на традиционалним силицијумским чиповима. Индустрија тек почиње да схвата како се квантни рачунари могу користити, тврде истраживачи компаније. Очекује се да ће инжењери открити прве веће примене ових машина за само пет година.

Квантни рачунари користе рачунарску јединицу тзв кубитем. Обични полупроводници представљају информације у облику секвенци од 1 и 0, док кубити показују квантна својства и могу истовремено да врше прорачуне као 1 и 0. То значи да два кубита могу истовремено да представљају секвенце 1-0, 1-1, 0-1 . ., 0-0. Рачунарска снага расте експоненцијално са сваким кубитом, тако да би теоретски квантни рачунар са само 50 кубита могао имати већу процесорску снагу од најмоћнијих суперкомпјутера на свету.

Д-Ваве Системс већ продаје квантни рачунар, за који се каже да их има 2. кубити. Међутим Д-Вав копијее(5) су дискутабилне. Иако су их неки истраживачи добро искористили, они још увек нису надмашили класичне рачунаре и корисни су само за одређене класе оптимизацијских проблема.

5. Д-Ваве квантни рачунари

Пре неколико месеци, Гоогле Куантум АИ Лаб је показао нови квантни процесор од 72 кубита под називом чекиње шишарке (6). Ускоро би могао постићи "квантну надмоћ" тако што ће надмашити класични суперкомпјутер, барем када је у питању решавање неких проблема. Када квантни процесор покаже довољно ниску стопу грешака у раду, може бити ефикаснији од класичног суперкомпјутера са добро дефинисаним ИТ задатком.

6. Бристлецоне 72 кубит квантни процесор

Следећи на реду је био Гугл процесор, јер је у јануару, на пример, Интел најавио сопствени квантни систем од 49 кубита, а раније је ИБМ представио верзију од 50 кубита. Интел чип, Лоихи, иновативан је и на друге начине. То је прво „неуроморфно“ интегрисано коло дизајнирано да опонаша како људски мозак учи и разуме. Она је „потпуно функционална“ и биће доступна истраживачким партнерима касније ове године.

Међутим, ово је само почетак, јер да бисте могли да се носите са силицијумским чудовиштима, потребно је з милионе кубита. Група научника са Холандског техничког универзитета у Делфту нада се да је начин да се постигне такав обим коришћење силицијума у ​​квантним рачунарима, јер су њихови чланови пронашли решење како да користе силицијум за креирање програмабилног квантног процесора.

У својој студији, објављеној у часопису Натуре, холандски тим је контролисао ротацију једног електрона користећи микроталасну енергију. У силицијуму би се електрон окретао горе-доле у ​​исто време, ефективно га држећи на месту. Када је то постигнуто, тим је спојио два електрона заједно и програмирао их да покрећу квантне алгоритме.

Било је могуће створити на бази силицијума двобитни квантни процесор.

Др Том Вотсон, један од аутора студије, објаснио је Би-Би-Сију. Ако Вотсон и његов тим успеју да споје још више електрона, то би могло довести до побуне. кубит процесориово ће нас довести корак ближе квантним компјутерима будућности.

- Ко год направи квантни компјутер који потпуно функционише, владаће светом Манас Мукхерјее са Националног универзитета Сингапура и главни истраживач у Националном центру за квантну технологију недавно је рекао у интервјуу. Трка између највећих технолошких компанија и истраживачких лабораторија тренутно је усмерена на тзв квантна надмоћ, тачка у којој квантни рачунар може да изврши прорачуне изнад свега што најнапреднији савремени рачунари могу да понуде.

Наведени примери достигнућа Гугла, ИБМ-а и Интела указују на то да компаније из Сједињених Држава (а самим тим и државе) доминирају у овој области. Међутим, недавно је кинески Алибаба Цлоуд објавио платформу за рачунарство у облаку засновану на 11-кубитном процесору која омогућава научницима да тестирају нове квантне алгоритме. То значи да Кина у области квантних рачунарских блокова такође не покрива крушке пепелом.

Међутим, напори за стварање квантних суперкомпјутера нису само одушевљени новим могућностима, већ изазивају и контроверзе.

Пре неколико месеци, током Међународне конференције о квантним технологијама у Москви, Александар Лвовски (7) из Руског квантног центра, који је и професор физике на Универзитету у Калгарију у Канади, рекао је да квантни рачунари оруђе уништењабез стварања.

7. Професор Александар Лвовски

Шта је мислио? Пре свега, дигитална безбедност. Тренутно су све осетљиве дигиталне информације које се преносе преко Интернета шифроване ради заштите приватности заинтересованих страна. Већ смо видели случајеве у којима су хакери могли да пресретну ове податке разбијањем енкрипције.

Према речима Лвова, појава квантног рачунара само ће олакшати сајбер криминалцима. Ниједан алат за шифровање који је познат данас не може се заштитити од процесорске снаге правог квантног рачунара.

Медицински картони, финансијске информације, па чак и тајне влада и војних организација биле би доступне у тигању, што би значило, како примећује Лвовски, да би нова технологија могла да угрози цео светски поредак. Други стручњаци сматрају да су страхови Руса неосновани, јер ће стварање правог квантног суперкомпјутера такође омогућити покренути квантну криптографију, сматра се неуништивим.

Други приступ

Поред традиционалних компјутерских технологија и развоја квантних система, различити центри раде и на другим методама за изградњу суперкомпјутера будућности.

Америчка агенција ДАРПА финансира шест центара за алтернативна решења компјутерског дизајна. Архитектура која се користи у савременим машинама се конвенционално назива фон Нојманова архитектураО, он већ има седамдесет година. Подршка одбрамбене организације универзитетским истраживачима има за циљ да развије паметнији приступ руковању великим количинама података него икада раније.

Баферовање и паралелно рачунарство Ево неколико примера нових метода на којима ови тимови раде. Други АДА (), који поједностављује развој апликација тако што претвара ЦПУ и меморијске компоненте са модулима у један склоп, уместо да се бави питањима њиховог повезивања на матичној плочи.

Прошле године, тим истраживача из Велике Британије и Русије успешно је показао да је тип "Магична прашина"од којих су састављени светлости и материје - на крају супериорнији у "перформансама" чак и од најмоћнијих суперкомпјутера.

Научници са британских универзитета Кембриџ, Саутемптон и Кардиф и руског института Сколково користили су квантне честице познате као поларитоништо се може дефинисати као нешто између светлости и материје. Ово је потпуно нови приступ рачунарском рачунарству. Према научницима, он може да чини основу новог типа рачунара способног да решава тренутно нерешива питања – у разним областима, као што су биологија, финансије и свемирска путовања. Резултати студије објављени су у часопису Натуре Материалс.

Запамтите да данашњи суперкомпјутери могу да се изборе само са малим делом проблема. Чак ће и хипотетички квантни рачунар, ако се коначно изгради, у најбољем случају обезбедити квадратно убрзање за решавање најсложенијих проблема. У међувремену, поларитони који стварају „вилинску прашину“ настају активирањем слојева атома галијума, арсена, индијума и алуминијума ласерским зрацима.

Електрони у овим слојевима апсорбују и емитују светлост одређене боје. Поларитони су десет хиљада пута лакши од електрона и могу достићи довољну густину да доведу до новог стања материје познато као Кондензат Босе-Ајнштајна (осам). Квантне фазе поларитона у њему су синхронизоване и формирају један макроскопски квантни објекат, који се може детектовати мерењима фотолуминисценције.

8. Графикон који приказује Босе-Ајнштајнов кондензат

Испоставило се да у овом конкретном стању, поларитонски кондензат може много ефикасније да реши проблем оптимизације који смо споменули када смо описивали квантне рачунаре од процесора заснованих на кубиту. Аутори британско-руских студија су показали да се, како се поларитони кондензују, њихове квантне фазе распоређују у конфигурацију која одговара апсолутном минимуму комплексне функције.

„На почетку смо истраживања потенцијала поларитонских дијаграма за решавање сложених проблема“, пише коаутор Натуре Материалс проф. Павлос Лагоудакис, шеф Лабораторије за хибридну фотонику на Универзитету Саутемптон. „Тренутно скалирамо наш уређај на стотине чворова док тестирамо основну процесорску снагу.“

У овим експериментима из света суптилних квантних фаза светлости и материје, чак и квантни процесори изгледају као нешто неспретно и чврсто повезано са стварношћу. Као што видите, научници не раде само на суперкомпјутерима сутрашњице и машинама прекосутра, већ већ планирају шта ће се десити прекосутра.

У овом тренутку достизање егзаскале ће бити прави изазов, а онда ћете размишљати о следећим прекретницама на скали флопа (9). Као што сте могли да претпоставите, само додавање процесора и меморије томе није довољно. Ако је веровати научницима, постизање тако моћне рачунарске моћи ће нам омогућити да решимо мегапроблеме који су нам познати, као што је дешифровање рака или анализа астрономских података.

9. Будућност суперрачунарства

Повежи питање са одговором

Шта је следеће?

Па, у случају квантних рачунара, постављају се питања за шта би они требало да се користе. Према старој пословици, компјутери решавају проблеме којих без њих не би било. Дакле, вероватно би прво требало да направимо ове футуристичке супермашине. Тада ће проблеми настати сами од себе.

У којим областима квантни рачунари могу бити корисни?

Вештачка интелигенција. АИ () ради на принципу учења кроз искуство, које постаје све тачније како се добија повратна информација и док рачунарски програм не постане „паметан“. Повратне информације су засноване на прорачунима вероватноће бројних могућих опција. Већ знамо да Лоцкхеед Мартин, на пример, планира да користи свој Д-Ваве квантни рачунар за тестирање софтвера аутопилота који је тренутно превише сложен за класичне рачунаре, а Гугл користи квантни рачунар за развој софтвера који може разликовати аутомобиле од оријентира.

Молекуларно моделирање. Захваљујући квантним рачунарима, биће могуће прецизно моделирати молекуларне интеракције, тражећи оптималне конфигурације за хемијске реакције. Квантна хемија је толико сложена да савремени дигитални рачунари могу анализирати само најједноставније молекуле. Хемијске реакције су квантне по природи јер стварају веома заплетена квантна стања која се преклапају, тако да потпуно развијени квантни рачунари могу лако да процене чак и најсложеније процесе. Гугл већ има развој у овој области – моделовали су молекул водоника. Резултат ће бити ефикаснији производи, од соларних панела до лекова.

Криптографија. Сигурносни системи данас зависе од ефикасне примарне производње. Ово се може постићи са дигиталним рачунарима тражењем свих могућих фактора, али сама количина времена потребног за то чини „разбијање кода“ скупим и непрактичним. У међувремену, квантни рачунари то могу да ураде експоненцијално, ефикасније од дигиталних машина, што значи да ће данашње безбедносне методе ускоро постати застареле. Постоје и обећавајуће методе квантног шифровања које се развијају да би се искористила једносмерна природа квантног заплета. Мреже широм града већ су демонстриране у неколико земаља, а кинески научници су недавно објавили да успешно шаљу заплетене фотоне са орбиталног „квантног” сателита на три одвојене базне станице назад на Земљу.

Финансијско моделирање. Модерна тржишта су међу најкомплекснијим системима који постоје. Иако је развијен научно-математички апарат за њихово описивање и контролу, ефикасност оваквих активности је још увек у великој мери недовољна због суштинске разлике између научних дисциплина: не постоји контролисано окружење у коме се експерименти могу изводити. Да би решили овај проблем, инвеститори и аналитичари су се окренули квантном рачунарству. Једна непосредна предност је да је случајност својствена квантним рачунарима у складу са стохастичком природом финансијских тржишта. Инвеститори често желе да процене дистрибуцију исхода у веома великом броју насумично генерисаних сценарија.

Временска прогноза. Главни економиста НОАА Родни Ф. Вајхер тврди да скоро 30% америчког БДП-а (6 трилиона долара) директно или индиректно зависи од временских прилика. за производњу хране, транспорт и малопродају. Стога би могућност бољег предвиђања ауре била веома корисна у многим областима, а да не помињемо дуже време предвиђено за заштиту од природних катастрофа. Национална метеоролошка рука Уједињеног Краљевства, Мет Оффице, већ је почела да улаже у такве иновације како би задовољила потребе за снагом и скалабилности са којима ће морати да се бави од 2020. па надаље, и објавила је извештај о сопственим ексаскалним рачунарским потребама.

Партицле Пхисицс. Модели физике чврстих честица су често изузетно сложена, замршена решења која захтевају много рачунарског времена за нумеричке симулације. То их чини идеалним за квантно рачунање, а научници су то већ искористили. Истраживачи са Универзитета у Инсбруку и Института за квантну оптику и квантне информације (ИКОКИ) недавно су користили програмабилни квантни систем за извођење ове симулације. Према публикацији у часопису Натуре, група је користила једноставну верзију квантног рачунара у којем су јони изводили логичке операције, основне кораке било ког рачунарског прорачуна. Симулација је показала потпуну сагласност са стварним експериментима описане физике. каже теоријски физичар Петер Золер. -