Широко распространено мнение о том, что кремниевые транзисторы приближаются к своим технологическим ограничениям. Ранее обсуждались альтернативные материалы и подходы к разработке транзисторов. В настоящем контексте мы с вами рассмотрим концептуальные идеи, способные радикально изменить принципы работы современных вычислительных систем: квантовые машины, нейроморфные чипы и компьютеры на основе дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Последняя концепция предполагает использование молекул ДНК в качестве вычислительного ресурса. ДНК состоит из четырех азотистых оснований: цитозина, аденина, гуанина и тимина, которые, будучи соединенными в определенной последовательности, позволяют кодировать информацию. Для манипуляции данными используются специфические ферменты, способные посредством химических реакций достраивать цепочки ДНК, а также разрезать и укорачивать их.
Возможность запуска таких реакций в различных участках молекулы одновременно открывает перспективы для выполнения параллельных вычислений.
Первый компьютер на базе ДНК представили в 1994 году. Профессор молекулярной биологии и компьютерных наук Леонард Адлеман (Leonard Adleman) использовал несколько пробирок с миллиардами молекул ДНК, чтобы попытаться решить задачу коммивояжера для графа с семью вершинами. Его вершины и ребра Адлеман обозначил фрагментами ДНК с двадцатью азотистыми основаниями, а затем применил метод полимеразной цепной реакции (ПЦР).
Недостатком компьютера Адлемана была его «узконаправленность». Он был заточен под решение одной задачи и не мог выполнять другие. С тех пор ситуация изменилась — в конце марта ученые из университета Мейнут и Калифорнийского технологического института представили компьютер, данные в который загружаются в виде простых последовательностей ДНК и могут быть поностью перепрограммированы.
Система способна открыть дорогу новому типу вычислительных систем, осталось решить проблему с медленным вводом и выводом данных (процесс секвенирования довольно дорогостоящий и занимает длительное время).
Несмотря на сложности, эксперты говорят, что в перспективе ДНК-компьютеры размером с современные десктопы обойдут по производительности суперкомпьютеры. Они смогут найти применение в дата-центрах, занимающихся обработкой больших сводов данных.
Нейроморфные процессоры
Термин «нейроморфный» обозначает, что архитектура чипа основывается на принципах работы человеческого мозга. Такие процессоры эмулируют работу миллионов нейронов с отростками, которые называются аксонами и дендритами. Первые отвечают за передачу информации, а вторые — за её восприятие. Нейроны соединены между собой синапсами — специальными контактами, по которым передаются электрические сигналы (нервные импульсы).
Впервые идея создания нейроморфных систем появилась еще в 1990-х. Но всерьез разработками в этой области занялись после 2000-х. Специалисты из IBM Research запустили проект SyNAPSE, целью которого была разработка компьютера с архитектурой, отличной от архитектуры фон Неймана. В рамках этого проекта компания спроектировала чип TrueNorth. Он эмулирует работу миллиона нейронов и 256 миллионов синапсов.
Над нейроморфными процессорами трудятся не только в IBM. Компания Intel с 2017 года разрабатывает чип Loihi. В его составе 130 тысяч искусственных нейронов и 130 млн синапсов. Год назад компания завершила разработку прототипа по 14-нм техпроцессу.
Нейроморфные устройства позволяют ускорить обучение нейросетей. Таким чипам, в отличие от классических процессоров, не нужно регулярно обращаться к регистрам или памяти за данными. Вся информация постоянно хранится в искусственных нейронах. Эта особенность позволит обучать нейронные сети локально (без подключения хранилищу со сводом тестовых данных).
Ожидается, что нейроморфные процессоры найдут применение в смартфонах и устройствах интернета вещей. Но пока о масштабном внедрении технологии в пользовательские устройства говорить не приходится.
Квантовые машины
Основу квантовых компьютеров составляют кубиты. Их работа основывается на принципах квантовой физики — запутанности и суперпозиции. Суперпозиция позволяет кубиту находиться в состоянии нуля и единицы одновременно. Запутанность — это явление, при котором состояния нескольких кубитов оказываются взаимосвязанными. Такой подход позволяет проводить операции с нулем и единицей одновременно.
/ фото IBM Research CC BY-NA
Как результат — квантовые компьютеры решают ряд задач гораздо быстрее традиционных систем. Примерами могут быть построение математических моделей в финансовой, химической и медицинской областях, а также криптографические операции.
На сегодняшний день развитием квантовых вычислений занимается относительно небольшое число компаний. Среди них конечно можно выделить IBM с их 50-кубитным квантовым компьютером, Intel с 49-кубитным и InoQ, которая тестирует 79 – кубитное устройство. Также в этой области активно работают Google, Rigetti и D-Wave.
О массовом внедрении квантовых компьютеров пока говорить рано. Даже если не брать в расчет высокую стоимость аппаратов, они имеют серьезные технологические ограничения.
В частности, квантовые машины работают при температуре близкой к абсолютному нулю. Поэтому устанавливаются такие аппараты только в специализированных лабораториях. Это вынужденная мера для защиты хрупких кубитов, способных поддерживать суперпозицию на протяжении всего нескольких секунд (любые температурные колебания приводят к их декогеренции).
Хотя в начале года IBM представили квантовый компьютер, способный работать за пределами лаборатории с жестко контролируемой средой — например, в локальных дата-центрах компаний. Но купить аппарат пока нельзя, можно лишь арендовать его мощности через облачную платформу. Компания обещает, что в будущем этот компьютер сможет приобрести любой желающий, но когда это произойдет — пока неизвестно.
Автор: ИТ-ГРАДовец
Источник: https://habr.com/
