Cуперкомпьютер. Дозволить людству прогнозувати майбутнє і подорожувати по космосу

Розвиток науково-технічного прогресу в області IT-технологій не може не вражати. Сьогодні це звучить смішно, але в американських науково-популярних виданнях 60-х років минулого століття вчені прогнозували, що до 2050 року комп'ютери будуть займати за розмірами ... не більше кімнати. В принципі, їх можна зрозуміти - ЕОМ (електронно-обчислювальні машини) того часу являли собою величезні пристрої, які важили близько 10 тонн, займали цілий поверх і вимагали для обслуговування цілу команду техніків. Обчислювальна ж потужність була настільки невеликий, що з тодішніми комп'ютерами сьогодні готовий позмагатися будь кишеньковий калькулятор. Одночасно варто наголосити на тому, що більше ні в одній області людство так швидко не розвивалося і не розвивається. Наприклад, автомобіль минулого століття конструктивно мало чим відрізняється від машин сучасності, підкорення космосу так і залишилося на рівні одиничних польотів на орбіту, а епідемія грипу досі призводить до масової паніки.

Комп'ютери - інша справа. Ми пам'ятаємо середину 1990-х, коли вершиною прогресу вважався IBM 486 з тактовою частотою 50 мегагерц, а вже в 2000 році в магазинах почали продаж комп'ютерів з частотою 700-900 мегагерц - за 5-6 років потужність зросла в 15-20 разів! Однак зараз стандартний комп'ютер володіє частотою в 3 гігагерца, що лише в 3-5 разів могутніше показників 5-річної давності, а виробники зараз роблять акцент не на потужність, а на компактність. Невже - все?

Зовсім ні. Просто пересічному споживачеві велика потужність і не потрібна, або він просто не готовий за неї платити. Але для наукових цілей в даний момент розроблені суперкомп'ютери, обчислювальна потужність яких становить 1,38 петафлопс. (Флопс - величина, яка використовується для вимірювання продуктивності комп'ютерів, що показує, скільки операцій з плаваючою комою в секунду виконує дана обчислювальна система. Наприклад, потужність калькулятора становить 10 флопс, а 3-гигагерцевого комп'ютера - 50 гігафлопс. Відповідно згаданий суперкомп'ютер в 1,38 мільйона раз могутніше стандартного ПК з магазину). Здавалося б, могутніше вже не буває. Однак і це ще далеко не кінець. Відомий американський футуролог Дейв Еванс вважає, що в майбутньому з'явиться квантовий комп'ютер. "Уявіть собі п'ять тисяч і планет, кожна розміром з Землю, повністю вкритих звичайними комп'ютерами. Квантовий ПК буде мати ту ж обчислювальну потужність, що і всі вони разом узяті", - вважає експерт. "Сегодня" з'ясувала, коли це можливо і які наслідки для людства буде нести поява такого сверхразума.

ІСТОРІЯ: КОМП'ЮТЕР - НЕ ТІЛЬКИ ЕОМ

Щоб краще зрозуміти, яким чином будуть працювати комп'ютери нового покоління, потрібно повернутися до витоків. Справа в тому, що в сучасних реаліях слово "ЕОМ" і слово "комп'ютер" є синонімами. Однак це не зовсім вірно - в світі існує безліч комп'ютерів, що працюють без будь-якої електрики. Вперше створити механізм для спрощення математичних обчислень додумалися ще в Стародавній Греції - це було механічний пристрій на базі зубчастих передач. У XVII столітті по шляху греків пішли німецькі вчені, що створили механічні калькулятори, легко справляються з арифметикою. Одне з найдавніших пристроїв дожило до наших днів - до сих пір залишилися інженери, які вміють користуватися логарифмічними лінійками. Створені в 1920-х і 1930-х роках комп'ютери також були механічними, і лише в 1942-му році була побудована перша електронна машина.

ІДЕЯ: КВАНТОКОМПЬЮТЕР ЗАСНОВАНИЙ НА МЕХАНІЦІ

Здавалося б, навіщо нам згадувати про стародавні артефакти, якщо у кожного на столі зараз стоять персональні виставки з величезними можливостями, а в кишенях лежать смартфони. Але не дарма кажуть про те, що все нове - добре забуте старе. У 40-х роках людство пішло по шляху розвитку саме електронних машин, проте не варто забувати про те, що механічні системи стали називати аналоговими. Принципова їхня відмінність полягає в тому, що якщо цифрові комп'ютери працюють з дискретними чисельними або символьними змінними, то аналогові призначені для обробки безперервних потоків даних, що надходять. Ці комп'ютери ідеально пристосовані для здійснення автоматичного контролю над виробничими процесами, тому що вони моментально реагують на зміни початкових умов.

Аналогові системи широко використовують до сих пір, наприклад, осцилограф практично не змінювався протягом 60 років, а телевізори з кінескопами випускають до сих пір. Інший приклад - системи ППО, оснащені гібридними (аналого-цифровими системами): аналогова система прораховувала переміщення літаючих об'єктів, а цифрова частина змінювала систему точного наведення ракети в тому випадку, якщо об'єкт повівся нестандартно і, наприклад, відхилився від заданого курсу. Квантовий комп'ютер - також свого роду гібрид. Це - цифровий пристрій, але з аналогової природою (обробляє безперервний потік даних).

ТЕХНОЛОГІЯ: КРАЩЕ ПІДІБРАТИ, НІЖ ПОРАХУВАТИ

Напевно всі знають анекдот про блондинку і програміста. Коли хлопця запитали про те, яка ймовірність зустріти на вулиці динозавра, він вирахував, що не більше 2%. Дівчина ж на це питання відповіла, що "50% - або зустріч, або не зустріну". Як це не дивно звучить, логіка роботи квантового комп'ютера більше схожа на мислення блондинки з анекдоту - вона розглядає всі з точки зору квантової суперпозиції. Уявіть атом, який міг би зазнати радіоактивного розпаду в певний проміжок часу. Або не міг би. У квантовій механіці у атома може бути якесь об'єднане стан - "розпаду / НЕ розпаду", тобто ні те, ні інше, а як би між. Що ж дає такий підхід?

Кубіти - ВСЬОМУ ГОЛОВА. У звичайному комп'ютері інформація зберігається в бітах, які приймають значення 0 або 1. Осередками пам'яті управляє логічний вентиль, що виконує елементарні логічні операції. Осередком зберігання інформації в квантовому комп'ютері є квантовий біт (quantum bit, qubit), або кубіт. Це квантова частинка, яка може мати два стани (одне приймається за 0, інше - за 1). Фізично кубіт може бути влаштований по-різному: це може бути атом, що має два енергетичних стану (частіше використовується квантова точка, або штучний атом: маленький фрагмент провідника або напівпровідника), атомне ядро ​​або електрон, що має два можливих значення спина - вниз і вгору або надпровідний кільце, в якому струм може текти в двох напрямках.

N кубіт (за даними словників, треба говорити п'ять біт, але багато бітів, логічно схиляти кубіт так само) можуть, як і N біт, мати 2N можливих станів, однак принципова відмінність полягає в тому, що кубіти можуть перебувати в суперпозиції цих станів і бути при цьому заплутаними між собою. Це означає, що система з декількох кубітів (квантовий регістр) знаходиться в кожному з станів з певною ймовірністю, а найголовніше, це означає, що за рахунок заплутаності можна змінити відразу всі 2N станів. У класичному комп'ютері така операція зажадала б 2N кроків. Це забезпечує безпрецедентний паралелізм обчислень, і саме це є основою потужності квантових комп'ютерів - всі операції проводяться одночасно, а з результатів вибирається варіант відповіді, який є найбільш правильним з точки зору теорії ймовірності.

Прототип вміють не всі. На сьогоднішній день в світі створено до 10 прототипів квантових комп'ютерів. І вміють робити вони поки, на жаль, небагато. Так, в 2001 році корпорація IBM створила керований ядерно-магнітним резонансом квантовий комп'ютер з семи кубіт, який зміг лише розкласти число 15 на прості множники - 5 і 3. Але в 2009-му році вченим з Національного інституту стандартів і технологій США вдалося зібрати 2 -кубітний комп'ютер. Два кубіта реалізовані як іони берилію в маленькій (200 нанометрів) магнітній пастці. Крім берилію в пастках також є іони магнію, які мінімізують сторонні вібрації і додають стабільності. Дослідники змусили кубіти "працювати" за допомогою лазерних імпульсів в ультрафіолетовому діапазоні. Однак імовірність результатів - лише 80%.

ПРИСТРІЙ КВАНТОКОМПЬЮТЕРА

Суперобчислення виходять в результаті впливу магнітного поля на центральний процесор.

A. Процесор. Комп'ютер побудований на кремнієвому чіпі, який містить 16 кубіт (еквівалентних бітам в звичайному комп'ютері), з'єднаних один з одним.

B. Кубит. Кожен кубіт складається з кристала ніобію, поміщеного в котушку індуктивності.

Б. Робота. Електричний струм, що протікає по котушці, генерує магнітне поле, а воно, у свою чергу, викликає зміну стану кубіта.

Г. Результат. Оскільки відомо, як ніобій реагує на магнітні поля, і параметри магнітних полів можна легко виміряти, то їх зміни, викликані ніобієм, можуть бути переведені в результат, який і є рішенням задачі.

Джерело даних: D-Wave

НОВІ ПРИНЦИПИ: ОПТОКОМПЬЮТЕР

Незважаючи на те, що прототипи квантових комп'ютерів вже працюють, до їх будь-якого практичного використання ще далеко. В якості альтернативи кремниевому процесору, вчені ще в 80-х роках розробили оптичний - він використовує спеціальні елементи, в яких світло управляє світлом, а логічні операції представлені як взаємодія речовини зі світлом. У 2003 році компанія Lenslet створила перший в світі оптичний процесор, причому це була не демонстраційна модель, як створена в 1990 році, а комерційний продукт, який можна було купити. Процесор називався EnLight256, а його продуктивність становила 8 трильйонів арифметичних операцій в секунду! Таких результатів досягнуто саме за рахунок маніпуляції потоків світла, а не електронів. До масового виробництва таких комп'ютерів справа поки не дійшла, але розробники кажуть, що це буде перехідний варіант між квантовим і кремнієвим.

ПЕРСПЕКТИВА: КОМП'ЮТЕРИ НА ДНК

Вчені з університету Єрусалиму представили технологію, покликану зробити революцію в медицині - представили логічний вентиль, створений на основі молекул ДНК. Справа в тому, нитки завжди закручені в певній послідовності і утворюють один з одним міцне з'єднання. В експерименті вчених кожна з ниток представляла значення 1, якщо присутня, і 0, якщо була відсутня. Крім створення одиничного працюючого логічного вентиля, вчені також отримали систему з послідовно працюючих вентилів, що реалізують різні логічні функції. Теоретично розвиток цієї роботи може привести до створення комп'ютера з ДНК, здатного виконувати елементарні арифметичні операції - додавання і віднімання. Навіщо? У майбутньому можна буде створювати нанороботів, які 24 години на добу стежили б за станом організму.

ЩО ДАЛІ?

Незважаючи на оптимістичні прогнози футуролога Дейва Еванса (передбачив появу нових суперкомп'ютерів вже через 15 років), багато світових вчені сумніваються в такому прогнозі, а деякі і зовсім вважають, що комп'ютер, що володіє настільки високою потужністю, що не буде створено ніколи. Однак всі світові експерти сходяться в одному: потужність комп'ютерів однозначно буде зростати. Більш швидкі обчислення дозволять виробляти моделювання в хімічних процесах і, як результат, створювати нові ліки, матеріали з програмованими властивостями, транспортні засоби зі штучним інтелектом, системи прогнозування погоди і катастроф. У перспективі - системи управління космічними кораблями під час міжпланетних перельотів.

Дивіться ВІДЕО: 1 , 2

Читайте найважливіші та найцікавіші новини в нашому Telegram