Зображення користувача Леонід Українець.
Леонід Українець

Квантові і органічні комп'ютери

Моя оцінка корисності цієї статті: 
1 - Може колись знадобиться.

Наявна елементна база, побудована на «кремнієвих» технологіях, дозволить триматися на такому рівні зростання короткий проміжок часу. Основним із природних обмежень є тепло, яке виділяє будь-який електроприлад.

Квантові комп'ютери

Ідея використання в комп'ютерах ефекту надпровідності виникла давно. Дослідження показали, що відсутність тепловиділення — не основна перевага надпровідникової комп'ютерної техніки; хоча саме вона і дозволяє в тисячу разів збільшити швидкодію і щільність заповнення носіїв даних. Використовуючи квантові ефекти, які виникають при надпровідності, комп'ютер може одразу оперувати кількабітовими «зразками», які називають кубітами. Фізичною основою кубіта може бути будь-яка дворівнева квантова система: фотон, електрон, ядро атома, напівпровідниковий нанокристал. Такі нанокристали називають квантовими точками. Електрон в мережі такого комп'ютера, буде одночасно виконувати роль і «ключа», і носія інформації. Структура квантового комп'ютера, його логіка є геть іншими, а сам комп'ютер матиме більше можливостей. Але потенційним ринком для таких комп'ютерів будуть не «персоналки», а мережеві комп'ютерні пристрої або сервери. 

Крім того, постійне зменшення техпроцесу для збільшення тактової частоти і зменшення тепловиділення теж неможливе. Адже розмір умовної молекули кварцу становить приблизно півнанометра. Це, мабуть, є теоретична межа зменшення техпроцесів електронної обчислювальної техніки без застосування квантових ефектів.

Реальні квантові комп'ютери досі оперували з дуже малою кількістю кубітів, десь до 16. В листопаді 2017 року компанія IBM представила прототип квантового комп'ютера з 50 кубіт. Ядро цього пристрою було показане компанією на виставці CES 2018. Більша частина цього пристрою - це холодильник, який має підтримувати температуру робочої частини близькою до абсолютного нуля. Саме при таких температурах в деяких речовинах можливе явище надпровідності. В згаданому комп’ютері використовується система охолодження з рідким гелієм.

Для програмування квантових комп'ютерів створені спеціалізовані мови програмування, які дозволяють запис квантових алгоритмів з використанням конструкцій високого рівня[5]. Завдання квантових мов не полягає у тому, щоб надати інструмент для програмістів, а в тому, щоб надати інструменти для дослідників, щоб зрозуміти краще, як працюють квантові обчислення і як формально доводити коректність квантових алгоритмів.

Можна виділити дві основні групи квантових мов програмування: імперативні квантові мови програмування і функційні квантові мови програмування. Найвідомішими представниками першої групи є QCL і LanQ. Ведеться робота з розробки функційних мов програмування для квантових обчислень. Наприклад, QML. 

 

(Квантовий комп’ютер від IBM)

Органічні комп’ютери

Органічні комп’ютери використовують обчислювальні можливості дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК).

В 1994 році Леонард Адлеман, професор університету Південної Каліфорнії, продемонстрував, що за допомогою ДНК можна розв'язати класичну комбінаторну «задачу мандрівника» (найкоротший маршрут обходу вершин графа). Класична комп'ютерна архітектура вимагає велику кількість обчислень з випробуванням кожного варіанту.

Метод ДНК дозволяє одразу згенерувати всі можливі варіанти розв'язків за допомогою відомих біохімічних реакцій. Потім швидко відфільтрувати саме ту молекулу-нитку, в якій закодована потрібна відповідь. Проблеми, що виникають при цьому:

  1. Потрібна надзвичайно трудомістка серія реакцій, що проводяться під ретельним спостереженням.

  2. Існує проблема масштабування завдання.

Біокомп'ютер Едлмана, який помістився в окремій пробірці, відшукував оптимальний маршрут обходу для 7 вершин графа. Але що більше вершин графа, то більше біокомп'ютеру вимагається ДНК-матеріалу.

В 2002 році ДЖ. Макдональд з колегами створили біокомп’ютер, здатний грати з людиною в хрестики-нулики. В 2004 році в журналі “Природа” (Nature) було опубліковано повідомлення про створення органічного комп’ютера із системою введення і виведення. Створений у 2006 році органічний комп’ютер MAYA-II працював все ще дуже повільно. На один ретельно виважений крок в грі хрестики-нулики витрачав приблизно 30 хвилин. В 2009 році АйБіеМ спільно з Каліфорнійським технологічним заснував виробництво схем на основі ДНК. Для них був написаний компілятор мовою Перл. У січні 2013 року вчені змогли зберегти фотографію у форматі jpeg, набір шекспірівських сонетів s аудіофайл  на носій інформації, виготовлений з ДНК. У березні 2013 року з біологічного матеріалу створили транскриптор, аналог транзистора [7]. У серпні 2016 року дослідники використовували систему редагування генів, щоб записати в ДНК живих бактерій файл у форматі gif. В Каліфорнійському технологічному інституті нейронну мережу на основі ДНК використовують для розпізнавання рукописних цифр. Проводять експерименти, щоб показати, що магнітні поля можуть покращувати транспортування заряду через ДНК (або білок), що може дозволити організму відчувати магнітні поля.

Можливості

За розрахунками потенційна місткість носія даних розміром  6 грамів ДНК становить приблизно 3 зеттабайти, тобто три мільярди терабайтів. Повільна швидкість обробки  органічного комп'ютера (в кращому випадку час відгуку вимірюється в хвилинах) компенсується його потенціалом для здійснення великої кількості кількох паралельних обчислень. Це досягається тим, що мільйони або мільярди молекул одночасно взаємодіють один з одним. Однак, набагато складніше аналізувати відповіді ДНК-комп'ютера, ніж цифрові. Для деяких спеціалізованих задач біокомп'ютери швидші і менші, ніж традиційні комп'ютери. Однак, ДНК не забезпечує нових можливостей з точки зору теорії обчислюваності, коли обчислювання здійснюється за допомогою різних моделей.

Закономірність Мура

Один із засновників компанії Інтел Ґордон Мур у 1965 році висловив припущення, що кількість транзисторів на кристалі мікросхеми буде подвоюватися кожні 24 місяці. Створивши графік зростання продуктивності запам'ятовуючих мікросхем, він виявив закономірність: нові моделі мікросхем розроблялися через більш-менш однакові періоди (18-24 міс.) після появи їхніх попередників. При цьому їхня місткість зростала щоразу приблизно вдвічі. Якщо така тенденція продовжиться, припустив Мур, то потужність обчислювальних пристроїв експоненціально зросте протягом відносно короткого проміжку часу. Це спостереження отримало назву «закономірність Мура».

Технічний прогрес являє собою поєднання більш досконалих технологій і їх більшої кількості. Дослідження, проведене 2011 року в журналі Science показало, що пік швидкості зміни обчислювальних потужностей інформації був у 1998 році, коли технологічний потенціал комп'ютерів загального призначення виріс на 88 % за рік. З тої пори технологічні зміни явно сповільнилися. Останнім часом, на 60% більше обчислень щороку. Це й досі залишається експоненціальним, але показує мінливість технологічних змін.

На тлі нестримного поліпшення все нових технологій, попередні технології будуть занадто швидко застарівати. Швидкий моральний знос може створювати перешкоди для складних або тривалих операцій. Через токсичні матеріали, які використовують у виробництві сучасних комп'ютерів, без розумного регулювання надто швидка заміна старих зразків може призводити до складних наслідків для довкілля і, звісно, для людей.

Світова мікроелектроніка, дотримуючись закону Мура, дотепер завжди спростовувала побоювання інженерів, що ми ось-ось впремося в нездоланні фізичні обмеження, після яких галузь або застрягне назавжди, або буде змушена перейти на принципово нові матеріали і технології. Але скоріш за все може виявитися, що реальним гальмом буде ефект глобального насичення: після бурхливого зростання міняти кожні рік-два процесори і пам'ять навряд чи буде потреба. Виробникам потрібно буде шукати нові шляхи просування інновацій на ринок, зважаючи на те, що моделі попереднього покоління й далі успішно справляються з своїми завданнями. Можливо, з деякого моменту не допоможе і примусова плата за новинки: дострокове скасування підтримки старих моделей або їх запрограмоване відключення.


Джерела:

  1. Квантовий комп'ютер

  2. Юхновський І. Р. Основи квантової механіки

  3. Кварц

  4. Кубіт

  5. Високорівневі структури для квантових обчислень

  6. Принцип суперпозиції

  7. Створення транскриптора

  8. Наслідки й обмеження

Наші інтереси: 

Знайомимось з новими технологіями.