Количество информации, сгенерированной за последние три года, превышает количество информации, произведённой за всё время существования человечества. Сегодня имеющихся вычислительных мощностей уже не хватает для обработки всей этой информации. Большая часть информации теряется и деградирует со временем, либо хранится на серверах в ожидании своего часа (извлечение пользы).
Один из основателей компании "Intel" - Гордон Мур - в 1965 году сформулировал «Закон Мура», который является эмпирическим наблюдением, суть которого заключается в том, что каждые 24 месяца количество транзисторов в интегральной схеме удваивается.
До недавнего времени этот закон хорошо работал, так как производительность имела экспоненциальной рост. Однако последние несколько лет Закон Мура перестал выполняться, так как все параметры современных процессоров начали выходить на плато производительности.
- Рост тактовой частоты (скорость работы транзистора) прекратился в 2010 году, зафиксировавшись на отметке 5 ГГц (5 миллиардов циклов в секунду).
- Примерно в это же время на плато вышли производительность потока и мощность процессора (не путать с энергоэффективностью).
В результате производительность теперь наращивается за счёт количества ядер в процессоре и их оптимизации, а также за счёт программного обеспечения.
Согласно прогнозам, к 2030 году на плато выйдет как количество ядер, так и количество транзисторов в микросхеме.
Данное явление объясняется замедлением прогресса в области плотности размещения транзисторов по отношению к предыдущему техпроцессу.
Так, например, в 1998 году достигнут уровень, при котором размер единичного транзистора достиг 250 нм, а в 1999 году – 180 нм, что соответствует удвоению плотности размещения транзисторов по отношению к предыдущему техпроцессу. Эта зависимость с периодичностью в 18-24 месяца соблюдалась до 2015 года, когда был взят барьер в 14 нм. После этого шло уже не удвоение плотности элементов, а рост плотности на 50-80%.
В 2023 году Samsung и TSMC планирует начать массовое производство чипов на 3 нм техпроцессе, а в 2025 году - на 2 нм.
"Intel" намерена достигнуть 1,4-нанометрового техпроцесса в 2029 году. Техпроцесс меньше 1 нм, в принципе, возможен. Но при этом велика вероятность того, что на таких масштабах возникнут проблемы с квантовым эффектом туннелирования электронов, что сделает такой транзистор неуправляемым. Таким образом становится очевидно, что при достижении такого уровня техпроцесса, когда размеры единичного элемента микросхемы достигнут размера в 1 нм, увеличение плотности элементов окончательно завершится. Учитывая, что уже созданы образцы чипов по 2-нанометровому техпроцессу (об этом объявила компания "IBM" в мае 2021 года), плотность элементов выйдет на плато уже к 2030 году.
А что дальше? Увеличивать производительность всё большим количеством процессоров и ядер в них? Тогда всё упрётся в энергообеспечение компьютеров, да и производительность процессоров при таком раскладе будет удваиваться лишь каждые 15-30 лет, что будет совершенно неприемлемо для поддержания и развития информационной экосистемы.
Но ведь какой-то выход всё равно должен быть?! Сегодня мы не знаем, какие вычислительные системы будут наиболее производительны и востребованы. Это могут быть компьютеры на основе ДНК, могут быть фотонные компьютеры или квантовые вычислительные устройства.
Сегодня наиболее проработанное и перспективное направление – это квантовые компьютеры.
Теория квантового компьютера в привычном нам представлении была построена к 1990 году. И дело было лишь за технической реализацией устройства на основе этой теории.
Производительность квантовых компьютеров настолько превосходит производительность традиционных компьютеров, насколько последнее поколение процессоров превосходит по своим вычислительным мощностям арифмометр. И такое сравнение вполне уместно.
Дело в том, что суперкомпьютер на 1 нм транзисторах размером с Землю будет про производительности равен квантовому компьютеру, который поместится в обычной комнате площадью 20 квадратных метров.
Откуда такая мощь? Высокая вычислительная способность квантового компьютера достигается за счёт того, что в процессе вычислений он оперирует законами квантовой механики, в отличие от классического процессора.
Транзистор в классическом процессоре имеет два состояния – либо включён «1», либо выключен «0». Эта информация соответствует одному биту данных. Наилучшей реализацией кодировки, которая позволяет кодировать и выводить информацию о состоянии транзистора, является двоичный код.
Квантовый бит (Кубит) находится в суперпозиции, то есть в двух состояниях одновременно.
Например, в один и тот же момент времени с вероятностью 70% кубит равен «1», и с вероятностью 30% кубит равен «0». То есть квантовому "транзистору", уже не нужно выполнять последовательность операций «1», или «0», чтобы получить решение. Он получает ответ за один такт операции - это его природное свойство.
Природу суперпозиции мы не знаем - она просто есть, и всё. Есть только гипотезы, которые пытаются объяснить этот парадокс, но там дело уже дошло до иных измерений и параллельных вселенных.
Помимо суперпозиции, есть эффект квантовой запутанности, когда два запутанных кубита уже взаимозависимы и больше не представляют собой, условно говоря, два отдельных транзистора. Информация между запутанными кубитами передаётся мгновенно - независимо от расстояния. При этом два запутанных кубита представляют уже 4 состояния одновременно. Так за одну операцию "выполняется" все возможные варианты 2-х классических последовательности открытия и закрытия транзистора.
Хорошо изолированный кубит стремится к своему минимальному энергетическому состоянию. Если же его возбудить, чтобы проделать с ним какие-либо операции, за один такт операции он будет выдавать все возможные варианты ответа, принимая состояния «0» или «1», в зависимости от задачи (степени возбуждения), и ответ всегда будет абсолютно верный, так как перепробованы все возможные варианты.
Для 3-х запутанных кубитов за одну операцию будет 8 разных ответов «000», «001»,«010» и т.д.
Но это в идеале, или даже в теории.
В реальности же суперпозиция коллапсирует, и кубит становится классическим битом, теряя все свойства сразу, как только мы провзаимодействуем с ним. Но даже коллапсировав, он выдаст ответ, то есть станет равным либо «0», либо «1». Точность ответа зависит от факторов изоляции всей системы и минимизации посторонних шумов, так как любой энергетический обмен или воздействие будут оказывать влияние на его конечное энергетическое состояние.
Например, кубит может выдать неверное значение для нас, если на его возбуждение мы затратили 1 единицу энергии, а из-за шумов в этот момент добавилось ещё 0,1 единицы энергии, которую мы не учитывали. Общая энергия возбуждения в итоге составит уже 1,1 единицы, и кубит коллапсировав до классического состояния выдаст ответ, исходя из этой величины. Но для нас это будет неверный ответ.
- В теории всего 50 запутанных кубитов по производительности превзойдут самый мощный на сегодня суперкомпьютер.
- 300 запутанных кубитов – будут по производительности как суперкомпьютер размером с Землю.
- Ну а квантовый компьютер, состоящий из 5000 запутанных кубитов, будет соответствовать вычислительной мощности суперкомпьютера размером со всю нашу галактику.
Весьма неплохо выглядит на бумаге! Именно поэтому сам механизм квантовых вычислений выглядит соблазнительно.
Да, кубиты нужно хорошо изолировать от внешней среды для минимизации вероятности ошибок. Однако для этого нужно не только затратить много энергии, но и построить громоздкие технические сооружения. Так что квантовые процессоры ещё нескоро появятся в ноутбуках.
Но вычислительная мощь квантового компьютера может быть доступна через облачный сервис, и тогда любая задача, которая может быть задана через механизмы возбуждения кубитов, будет решаема по определению.
Однако не всё так хорошо, как кажется. Хотя разработки квантовых компьютеров, а также базовых методик их построения активно ведутся по всему миру, результат пока оставляет желать лучшего.
На сегодня существуют четыре наиболее перспективные технологии квантового вычисления. Они показаны на рисунке ниже.
Неизвестно, какая из технологий окажется наиболее продуктивной, а какая является тупиковым путём развития. Поэтому в мире развиваются все одновременно. Параллельно учёные ищут материалы, которые подходили бы на звание кубитов, и были бы не так требовательны к внешним условиям изоляции, охлаждения и т.п.
На сегодня крупными корпорациями (например, "Google") созданы квантовые компьютеры более чем на 50 кубитах, а "IBM" недавно представила 127-кубитный квантовый компьютер.
Канадская компания "D-Wave Systems" уже давно продаёт свои 2000-кубитные квантовые компьютеры, а недавно представила новейший 5000-кубитный квантовый компьютер "Advantage".
Свои разработки ведутся и в России - в Квантовом центре под эгидой "Росатома".
Да, знаю, вы уже почувствовали подвох: кубитов уже много, тогда где же супербыстрое вычисление всего и вся? Где квантовая революция?
Что-то здесь не сходится... Вот об этой проблеме, а также о последних достижениях в области квантовых компьютеров (в том числе российских) поговорим в следующей статье.
-------------------------------------------------------------------------------------------------
Если Вам нравится статья, жмите кнопку "палец вверх" (нравится) и подписывайтесь. Жду ваши комментарии. Спасибо, друзья!
Список источников можно скачать тут "Ссылки на источники".