Horisonten för det förra - och bortom ...

Å ena sidan borde de hjälpa oss att besegra cancer, exakt förutsäga vädret och bemästra kärnfusion. Å andra sidan finns det farhågor för att de kommer att orsaka global förstörelse eller förslava mänskligheten. För tillfället kan dock datormonster fortfarande inte skapa stort gott och stort ont på samma gång.

På 60-talet hade de mest effektiva datorerna makten megaflops (miljontals flyttalsoperationer per sekund). Den första datorn med datorkraft ovan 1 GFLOPS (gigaflops) var Cray 2, producerad av Cray Research 1985. Första modellen med datorkraft över 1 TFLOPS (teraflops) var ASCI Röd, skapad av Intel 1997. Effekten nådde 1 PFLOPS (petaflops) Roadrunner, släppt av IBM 2008.

Det aktuella datakraftrekordet tillhör kinesiska Sunway TaihuLight och är 9 PFLOPS.

Även om, som du kan se, de mest kraftfulla maskinerna ännu inte har nått hundratals petaflops, allt oftare exascale systemdär makt måste beaktas exaflopsach (EFLOPS), dvs. om mer än 1018 operationer per sekund. Sådana konstruktioner är dock fortfarande bara i stadiet av projekt med olika grader av utarbetande.

REDUKTIONER (, flyttalsoperationer per sekund) är en enhet för beräkningskraft som används främst i vetenskapliga tillämpningar. Den är mer mångsidig än den tidigare använda MIPS-enheten, som står för processorinstruktioner per sekund. Flops är inte en SI-enhet, utan kan tolkas som en enhet på 1/s.

Du behöver exascale för cancer

En exaflop, eller tusen petaflops, är mer än alla topp XNUMX superdatorer tillsammans. Forskare hoppas att den nya generationen maskiner med sådan kraft kommer att ge genombrott inom olika områden.

Exascale datorkraft i kombination med snabbt utvecklande maskininlärningsteknologier bör hjälpa t.ex. knäcka cancerkoden. Mängden data som läkare måste ha för att diagnostisera och behandla cancer är så enorm att det är svårt för vanliga datorer att klara av uppgiften. I en typisk enstaka tumörbiopsi görs mer än 8 miljoner mätningar, under vilka läkare analyserar tumörens beteende, dess svar på farmakologisk behandling och dess effekt på patientens kropp. Det här är en riktig ocean av data.

sa Rick Stevens från US Department of Energy (DOE) Argonne Laboratory. -

Genom att kombinera medicinsk forskning med datorkraft arbetar forskare med Neuralt nätverkssystem CANDLE (). Detta gör det möjligt för oss att förutsäga och utveckla en behandlingsplan som är skräddarsydd för varje patients individuella behov. Detta kommer att hjälpa forskare att förstå den molekylära grunden för viktiga proteininteraktioner, utveckla prediktiva modeller för läkemedelssvar och föreslå optimala behandlingsstrategier. Argonne tror att exascale-system kommer att kunna köra en CANDLE-applikation 50 till 100 gånger snabbare än de mest kraftfulla supermaskiner som är kända idag.

Därför väntar vi ivrigt på uppkomsten av exascale superdatorer. De första versionerna kommer dock inte nödvändigtvis att dyka upp i USA. Naturligtvis är USA en del av kapplöpningen att skapa dem, och den lokala regeringen i projektet som kallas Aurora samarbetar med AMD, IBM, Intel och Nvidia och strävar efter att komma före utländska konkurrenter. Detta förväntas dock inte ske före 2021. Under tiden, i januari 2017, tillkännagav kinesiska experter skapandet av en exascale prototyp. En fullt fungerande modell av denna typ av beräkningsenhet är − Tianhe-3 – det är dock osannolikt att det blir klart de närmaste åren.

Kineserna håller hårt

Faktum är att sedan 2013 har kinesisk utveckling toppat listan över de mest kraftfulla datorerna i världen. Han dominerade i flera år Tianhe-2och nu tillhör palmen de nämnda Sunway TaihuLight. Dessa två mest kraftfulla maskiner i Mellanriket tros vara mycket kraftfullare än alla tjugoen superdatorer vid det amerikanska energidepartementet.

Amerikanska vetenskapsmän vill naturligtvis återta den ledarposition de hade för fem år sedan och arbetar på ett system som gör det möjligt för dem att göra detta. Det byggs vid Oak Ridge National Laboratory i Tennessee. summit (2), en superdator som är planerad att tas i drift senare i år. Detta överträffar kraften hos Sunway TaihuLight. Det kommer att användas för att testa och utveckla nya, starkare och lättare material, för att modellera jordens inre med hjälp av akustiska vågor och för att stödja astrofysikprojekt som utforskar universums ursprung.

2. Rumslig plan för toppdatorn Summit

Vid det tidigare nämnda Argonne National Laboratory planerar forskare snart att bygga en ännu snabbare enhet. Känd så långt som A21Prestanda förväntas nå 200 petaflops.

Japan deltar också i superdatorloppet. Även om det nyligen har kommit i skymundan av rivaliteten mellan USA och Kina, är det detta land som planerar att lansera ABC-system (), erbjuder 130 petaflops kraft. Japanerna hoppas att en sådan superdator kan användas för att utveckla AI (artificiell intelligens) eller djupinlärning.

Samtidigt har EU-parlamentet precis beslutat att bygga en EU-superdator för en miljard euro. Detta datormonster kommer att påbörja sitt arbete för forskningscentra på vår kontinent vid årsskiftet 2022 och 2023. Bilen kommer att byggas inom EuroGPK-projektoch dess konstruktion kommer att finansieras av medlemsstaterna – så Polen kommer också att delta i detta projekt. Dess förutsagda kraft kallas vanligtvis "pre-exascale".

Hittills, enligt 2017 års ranking, av de femhundra snabbaste superdatorerna i världen, har Kina 202 sådana maskiner (40%) och Amerika kontrollerar 144 (29%).

Kina använder också 35 % av världens datorkraft, jämfört med 30 % i USA. Nästa länder med flest superdatorer på listan är Japan (35 system), Tyskland (20), Frankrike (18) och Storbritannien (15). Det är värt att notera att, oavsett ursprungsland, använder alla femhundra av de mest kraftfulla superdatorerna olika versioner av Linux...

De kommer att designa det själva

Superdatorer är redan ett värdefullt verktyg som stödjer vetenskaps- och teknikindustrin. De gör det möjligt för forskare och ingenjörer att göra stadiga framsteg (och ibland till och med stora steg framåt) inom områden som biologi, väder- och klimatprognoser, astrofysik och kärnvapen.

Resten beror på deras makt. Under de kommande decennierna kan användningen av superdatorer avsevärt förändra den ekonomiska, militära och geopolitiska situationen för de länder som har tillgång till denna typ av banbrytande infrastruktur.

Framstegen i denna fråga är så snabba att utformningen av nya generationer av mikroprocessorer redan har blivit för komplex även för många mänskliga resurser. Av denna anledning spelar avancerad datormjukvara och superdatorer alltmer en ledande roll i utvecklingen av datorer, inklusive de med prefixet "super".

3. Japansk superdator

Läkemedelsföretagen kommer snart att kunna fungera fullt ut tack vare datorsuperkrafter bearbeta ett stort antal mänskliga genom, djur och växter som kommer att bidra till att skapa nya mediciner och behandlingar för olika sjukdomar.

En annan anledning (faktiskt en av de främsta) till varför regeringar investerar så mycket i utvecklingen av superdatorer. Effektivare fordon kommer att hjälpa framtida militära ledare att utveckla tydliga stridsstrategier i alla stridsmiljöer, möjliggöra utvecklingen av effektivare vapensystem och även stödja brottsbekämpande och underrättelsemyndigheter i att identifiera potentiella hot i förväg.

Inte tillräckligt med kraft för att simulera hjärnan

Nya superdatorer ska hjälpa till att tyda den naturliga superdatorn som länge varit känd för oss - den mänskliga hjärnan.

Ett internationellt team av forskare utvecklade nyligen en algoritm som representerar ett viktigt nytt steg mot att modellera hjärnans neurala kopplingar. Ny NEST-algoritm, som beskrivs i en öppen artikel publicerad i Frontiers in Neuroinformatics, förväntas simulera de 100 miljarder sammankopplade nervcellerna i den mänskliga hjärnan på superdatorer. Forskare från det tyska forskningscentret Jülich, Norges biovetenskapliga universitet, universitetet i Aachen, japanska RIKEN-institutet och Kungliga Tekniska Högskolan KTH i Stockholm var involverade i arbetet.

Sedan 2014 har superdatorerna RIKEN och JUQUEEN vid Jülich Supercomputing Center i Tyskland kört storskaliga simuleringar av neurala nätverk, som simulerar anslutningarna mellan cirka 1 % av neuronerna i den mänskliga hjärnan. Varför bara så många? Kan superdatorer simulera hela hjärnan?

Susanna Kunkel från det svenska företaget KTH förklarar.

Under simuleringen bör en neurons aktionspotential (korta elektriska impulser) skickas till ungefär alla 100 personer. små datorer som kallas noder, var och en utrustad med ett antal processorer som utför själva beräkningen. Varje nod kontrollerar vilka av dessa impulser som tillhör de virtuella neuroner som finns i den noden.

4. Modellering av hjärnanslutningar av neuroner, d.v.s. vi är bara i början av vår resa (1%)

Uppenbarligen ökar mängden datorminne som krävs av processorer för dessa extra bitar per neuron med storleken på det neurala nätverket. Att gå utöver 1%-simuleringen av hela den mänskliga hjärnan (4) skulle kräva hundra gånger mer minne än vad som finns tillgängligt i alla superdatorer idag. Därför skulle det vara möjligt att tala om att få en simulering av hela hjärnan endast i samband med framtida exascale superdatorer. Det är här nästa generations NEST-algoritm måste fungera.

TOP 5 superdatorer i världen

1. Sunway TaihuLight – En 93 PFLOPS superdator lanserad 2016 i Wuxi, Kina. Sedan juni 2016 har den toppat TOP500-listan över superdatorer med den högsta beräkningskraften i världen.

2. Tianhe-2 (Vintergatan-2) är en 33,86 PFLOPS superdator byggd av NUDT () i Kina. Sedan juni 2013

fram till juni 2016 var det den snabbaste superdatorn i världen.

3. Piz Daint - en design utvecklad av Cray, installerad vid Swiss National Supercomputing Center (). Den har nyligen uppgraderats – Nvidia Tesla K20X-acceleratorer ersattes med nya, Tesla P100, vilket gjorde det möjligt att öka datorkraften från 2017 till 9,8 PFLOPS sommaren 19,6.

4. Gyokou är en superdator utvecklad av ExaScaler och PEZY Computing. Belägen vid Japan Agency for Marine Science and Technology (JAMSTEC) Yokohama Institute of Geosciences; på samma våning som jordsimulatorn. Effekt: 19,14 PFLOPs.

5. Titan är en 17,59 PFLOPS superdator tillverkad av Cray Inc. och lanserades i oktober 2012 på Oak Ridge National Laboratory i USA. Från november 2012 till juni 2013 var Titan världens snabbaste superdator. Den ligger för närvarande på femte plats, men är fortfarande den snabbaste superdatorn i USA.

De tävlar också om överhöghet i kvantum

IBM tror att under de kommande fem åren, inte superdatorer baserade på traditionella kiselchips, men . Enligt företagets forskare har industrin precis börjat förstå hur kvantdatorer kan användas. På bara fem år förväntas ingenjörer upptäcka de första stora tillämpningarna för dessa maskiner.

Kvantdatorer använder en beräkningsenhet som kallas en aln. Konventionella halvledare representerar information som sekvenser av 1:or och 0:or, men qubits uppvisar kvantegenskaper och kan samtidigt utföra beräkningar som 1:or och 0:or Detta innebär att två kvantbitar samtidigt kan representera sekvenserna 1-0, 1-1, 0-1. ., 0-0. Datorkraften växer exponentiellt för varje qubit, så teoretiskt sett skulle en kvantdator med bara 50 qubits kunna ha mer processorkraft än världens mest kraftfulla superdatorer.

D-Wave Systems säljer redan en kvantdator, som de säger att det finns 2 av dem. qubits. dock D-Wav kopiore(5) är kontroversiella. Även om vissa forskare har använt dem bra, har de fortfarande inte överträffat klassiska datorer och är bara användbara för vissa klasser av optimeringsproblem.

5. D-Wave kvantdatorer

För några månader sedan visade Googles Quantum AI Lab en ny 72-qubit kvantprocessor som heter borst kottar (6). Den kan snart uppnå "kvantöverlägsenhet", som överträffar en klassisk superdator, åtminstone när det gäller att lösa vissa problem. När en kvantprocessor uppvisar en tillräckligt låg felfrekvens under drift, kan den vara mer effektiv än en klassisk superdator för en väldefinierad IT-uppgift.

6. Bristlecone 72-qubit kvantprocessor

Nästa i raden var Google-processorn, för i januari tillkännagav till exempel Intel sitt eget 49-qubit-kvantsystem, och tidigare presenterades 50-qubit-versionen av IBM. Intel chip, Loihi, det är innovativt på andra sätt också. Det är den första "neuromorfa" integrerade kretsen designad för att efterlikna hur den mänskliga hjärnan lär sig och förstår. Det är "fullt fungerande" och kommer att finnas tillgängligt för forskningspartners senare i år.

Detta är dock bara början, för för att kunna hantera kiselmonster behöver du z miljontals qubits. Ett team av forskare från det holländska tekniska universitetet i Delft hoppas att sättet att uppnå en sådan skala är att använda kisel i kvantdatorer, eftersom dess medlemmar har hittat en lösning för att använda kisel för att skapa en programmerbar kvantprocessor.

I sin studie, publicerad i tidskriften Nature, kontrollerade det holländska laget spinn av en enskild elektron med hjälp av mikrovågsenergi. I kisel skulle elektronen snurra upp och ner samtidigt, och effektivt hålla den på plats. När detta var uppnått kopplade teamet ihop två elektroner och programmerade dem att köra kvantalgoritmer.

Lyckades skapa silikonbaserad tvåbitars kvantprocessor.

Dr Tom Watson, en av studiens författare, förklarade för BBC. Om Watson och hans team lyckas smälta samman ännu fler elektroner kan det leda till ett uppror qubit-processorerdetta kommer att föra oss ett steg närmare framtidens kvantdatorer.

- Den som bygger en fullt fungerande kvantdator kommer att styra världen Manas Mukherjee från National University of Singapore och huvudutredare vid National Center for Quantum Technology sa nyligen i en intervju. Kapplöpet mellan de största teknikföretagen och forskningslaboratorierna fokuseras just nu på den sk kvantöverlägsenhet, punkten där en kvantdator kan utföra beräkningar utöver allt de mest avancerade datorerna idag kan erbjuda.

De givna exemplen på Googles, IBMs och Intels prestationer tyder på att företag från USA (och därmed staten) dominerar på detta område. Men helt nyligen släppte den kinesiska webbplatsen Alibaba Cloud en molnbaserad plattform för datoranvändning baserad på en 11-qubit-processor som tillåter forskare att testa nya kvantalgoritmer. Det betyder att Kina inte heller täcker sina päron med aska inom området kvantberäkningsblock.

Men ansträngningar att bygga kvantsuperdatorer skapar inte bara entusiasm för nya möjligheter, utan orsakar också kontroverser.

För några månader sedan, under den internationella konferensen om kvantteknologi i Moskva, sa Alexander Lvovsky (7) från Russian Quantum Center, som också är professor i fysik vid University of Calgary i Kanada, att kvantdatorer förstörelseverktygutan att skapa.

7. Professor Alexander Lvovsky

Vad menade han? Först och främst digital säkerhet. För närvarande är all känslig digital information som överförs över Internet krypterad för att skydda intressenternas integritet. Vi har redan sett fall där hackare kunde fånga upp denna data genom att bryta krypteringen.

Enligt Lvov kommer uppkomsten av en kvantdator bara att göra uppgiften lättare för cyberkriminella. Inget av de krypteringsverktyg som är kända idag kan skydda sig mot datorkraften hos en riktig kvantdator.

Medicinska register, finansiell information och till och med regeringars och militära organisationers hemligheter skulle vara lättillgängliga, vilket skulle innebära, som Lvovsky noterar, att ny teknologi kan hota hela världsordningen. Andra experter tror att ryssarnas farhågor är ogrundade, eftersom skapandet av en riktig kvantsuperdator också kommer att tillåta initiera kvantkryptografi, anses vara oförstörbar.

Ett annat tillvägagångssätt

Utöver traditionell datateknik och utveckling av kvantsystem arbetar olika centra med andra metoder för att bygga framtidens superdatorer.

Den amerikanska byrån DARPA finansierar sex center för alternativa datordesignlösningar. Den arkitektur som används i moderna maskiner kallas konventionellt arkitektur von Neumannåh, han är redan sjuttio år gammal. Försvarsstöd till universitetsforskare syftar till att utveckla ett smartare tillvägagångssätt för att behandla stora datamängder än någonsin tidigare.

Buffring och parallell beräkning Här är några exempel på de nya tekniker som dessa team arbetar med. Annan ADA (), vilket gör det möjligt att förenkla applikationsutveckling genom att konvertera CPU- och minneskomponenter med moduler till en sammansättning, snarare än att kämpa med problem med deras anslutning på moderkortet.

Förra året visade ett team av forskare från Storbritannien och Ryssland framgångsrikt att typen "Magiskt damm"som de består av ljus och materia - i slutändan överlägsen i "prestanda" till även de mest kraftfulla superdatorerna.

Forskare från de brittiska universiteten i Cambridge, Southampton och Cardiff och det ryska Skolkovo Institute använde kvantpartiklar kända som av polaritonsom kan definieras som något mellan ljus och materia. Detta är ett helt nytt tillvägagångssätt för datoranvändning. Enligt forskare skulle den kunna utgöra grunden för en ny typ av dator, kapabel att lösa för närvarande svårlösta frågor - inom olika områden som biologi, ekonomi och rymdresor. Resultaten av studien publicerades i tidskriften Nature Materials.

Kom ihåg att dagens superdatorer bara kan hantera en liten andel av problemen. Till och med en hypotetisk kvantdator, om den slutligen byggdes, skulle i bästa fall ge en kvadratisk snabbhet för att lösa de mest komplexa problemen. Samtidigt skapas polaritonerna som skapar "fedammet" genom att aktivera lager av gallium-, arsenik-, indium- och aluminiumatomer med laserstrålar.

Elektroner i dessa lager absorberar och avger ljus av en specifik färg. Polaritoner är tiotusen gånger lättare än elektroner och kan nå tillräckliga tätheter för att ge upphov till ett nytt tillstånd av materia, känt som Bose-Einstein kondensat (8). Kvantfaserna för polaritonerna i den är synkroniserade och bildar ett enda makroskopiskt kvantobjekt som kan detekteras genom fotoluminescensmätningar.

8. Diagram som visar Bose-Einstein-kondensat

Det visar sig att i just detta tillstånd kan polaritonkondensatet lösa optimeringsproblemet vi nämnde när vi beskrev kvantdatorer mycket mer effektivt än qubit-baserade processorer. Författarna till brittisk-ryska studier har visat att när polaritoner kondenserar är deras kvantfaser lokaliserade i en konfiguration som motsvarar det absoluta minimumet av en komplex funktion.

"Vi är i början av att utforska potentialen hos polaritongrafer för att lösa komplexa problem", skriver Nature Materials medförfattare Prof. Pavlos Lagoudakis, chef för Hybrid Photonics Laboratory vid University of Southampton. "Vi skalar för närvarande vår enhet till hundratals noder samtidigt som vi testar grundläggande processorkraft."

I dessa experiment från världen av subtila kvantfaser av ljus och materia verkar till och med kvantprocessorer på något sätt klumpiga och fast kopplade till verkligheten. Som du kan se arbetar forskare inte bara med morgondagens superdatorer och övermorgondagens bilar, utan de planerar redan vad som ska hända i övermorgon.

Vid det här laget kommer det att vara en utmaning att nå exaskala, då kommer du att tänka på nästa milstolpar på floppskalan (9). Som du kanske har gissat är det inte tillräckligt att bara lägga till processorer och minne till mixen. Om man ska tro forskare kommer att uppnå en sådan kraftfull datorkraft att vi kan lösa megaproblem vi känner till, som att dechiffrera cancer eller analysera astronomiska data.

9. Framtiden för superdatorer

Matcha frågan med svaret

Vad händer nu?

Jo, med kvantdatorer uppstår frågor om vad de ska användas till. Som det gamla ordspråket säger, datorer löser problem som inte skulle existera utan dem. Så vi borde nog bygga dessa futuristiska supermaskiner först. Då uppstår problem av sig själva.

På vilka områden kan kvantdatorer vara användbara?

Konstgjord intelligens. AI () arbetar efter principen att lära sig genom erfarenhet, som blir mer och mer exakt när feedback tas emot tills datorprogrammet blir "smart". Feedback baseras på beräkningar av sannolikheterna för en rad möjliga alternativ. Vi vet redan att Lockheed Martin, till exempel, planerar att använda sin D-Wave kvantdator för att testa autopilotprogramvara som för närvarande är för komplex för klassiska datorer, och Google använder en kvantdator för att utveckla mjukvara som kan skilja bilar från landmärken.

Molekylär modellering. Tack vare kvantdatorer kommer det att vara möjligt att exakt simulera molekylära interaktioner och hitta optimala konfigurationer för kemiska reaktioner. Kvantkemin är så komplex att moderna digitala datorer bara kan analysera de enklaste molekylerna. Kemiska reaktioner är kvantmässiga till sin natur eftersom de skapar mycket intrasslade kvanttillstånd som överlappar varandra, så fullt utvecklade kvantdatorer kommer lätt att kunna utvärdera även de mest komplexa processerna. Google har redan arbete inom detta område - de har simulerat vätemolekylen. Resultatet blir effektivare produkter, från solpaneler till mediciner.

Kryptografi. Säkerhetssystem idag är beroende av effektiv primärgenerering. Detta kan uppnås med digitala datorer genom att söka efter alla möjliga faktorer, men den enorma tid som krävs gör "kodbrytning" dyrt och opraktiskt. Samtidigt kan kvantdatorer göra detta exponentiellt mer effektivt än digitala maskiner, vilket innebär att dagens säkerhetsmetoder snart kommer att bli föråldrade. Det finns också lovande kvantkrypteringsmetoder som utvecklas för att dra fördel av kvantentrasslingens enkelriktade natur. Stadsomfattande nätverk har redan demonstrerats i flera länder, och kinesiska forskare meddelade nyligen att de framgångsrikt hade skickat intrasslade fotoner från en "kvantsatellit" i omlopp till tre separata basstationer tillbaka till jorden.

Finansiell modellering. Moderna marknader är några av de mest komplexa systemen som finns. Även om den vetenskapliga och matematiska apparaten för deras beskrivning och kontroll har utvecklats, är effektiviteten av sådana aktiviteter fortfarande i stort sett otillräcklig på grund av de grundläggande skillnaderna i vetenskapliga discipliner: det finns ingen kontrollerad miljö där experiment kan utföras. För att lösa detta problem har investerare och analytiker vänt sig till kvantberäkning. En omedelbar fördel är att kvantdatorernas inneboende slumpmässighet överensstämmer med finansmarknadernas stokastiska natur. Investerare vill ofta utvärdera fördelningen av utfall över ett mycket stort antal slumpmässigt genererade scenarier.

Väderprognos. NOAA:s chefsekonom Rodney F. Weiher uppger att nästan 30 % av USA:s BNP (6 biljoner dollar) påverkas direkt eller indirekt av vädret. för livsmedelsproduktion, transport och detaljhandel. Således skulle förmågan att bättre förutsäga aura vara mycket användbar inom många områden, för att inte tala om den längre tid som finns tillgänglig för skydd mot naturkatastrofer. Storbritanniens nationella väderarm, Met Office, har redan börjat investera i sådan innovation för att möta de kraft- och skalbarhetsbehov den kommer att behöva hantera från 2020, och har publicerat en rapport om sina egna exascale datorbehov.

Partikelfysik. Fasta partikelfysiska modeller är ofta extremt komplexa, intrikata lösningar som kräver mycket beräkningstid för numeriska simuleringar. Detta gör dem idealiska för kvantberäkning, och forskare har redan utnyttjat detta. Forskare vid universitetet i Innsbruck och Institutet för kvantoptik och kvantinformation (IQOQI) använde nyligen ett programmerbart kvantsystem för att utföra denna simulering. Enligt en publikation i Nature använde gruppen en enkel version av en kvantdator där joner utförde logiska operationer, de grundläggande stegen i alla datorberäkningar. Simuleringen visade fullständig överensstämmelse med de verkliga experimenten i den beskrivna fysiken. säger teoretisk fysiker Peter Zoller. -