رایانه‌ های نوری و کوانتومی چگونه کار می کنند؟

تاریخ کامپیوتر ها پر از شکست است. کامپیوتر Apple III که به عنوان یک نوآوری در طراحی تبلیغ می شد، فروشی خوبی نداشت. بازیAtari Jaguar که سازندگانش مدعی بودند ایده ای مبتکرانه‌ دارد، نتوانست بازار را تصاحب کند.  Pentium chip گل سر سبد Intel که برای نرم افزار های سنگین طراحی شده بود، در زمینه اعداد اعشاری مشکلاتی داشت.

تا مدت ها راه مناسبی در زمینه اندازه گیری قدرت کامپیوتر ها وجود نداشت، هر شرکت، سازمان و یا نهاد به گونه ای خاص کامپیوتر ها را ارزش گذاری می کرد. تا این که بحث FLOPS به میان آمد و تا زمانی نسبتاً طولانی معیاری عادلانه میان ماشین ها، معماری‌ها و سیستم‌ها محسوب گشت.

فلاپس کوتاه شده تعداد عملیات نقطه شناور در ثانیه (Floating-point Operations per Second) می‌‌باشد. به زبان ساده، یک سرعت سنج  برای یک سیستم محاسبه‌ گر بوده و چندین دهه است که به طور چشمگیری رو به رشد است.

چه می‌‌شد اگر کسی به شما می‌‌گفت ظرف چند سال، سیستمی‌ بر روی میز کار، تلویزیون یا تلفن همراه خود خواهید داشت که می‌‌تواند جای ابر رایانه‌های امروزی را بگیرد؟ چنین قدرتی تخیلی به نظر می رسد؟ قبل از قضاوت نگاهی‌ به تاریخ بیاندازید.

در ادامه ی مطلب با دیجیاتو همراه باشید.

 از سوپر کامپیوتر ها تا سوپرمارکت ها

 پردازنده Core i7 Haswell متعلق به شرکت اینتل توانایی پردازش ۱۷۷ میلیارد فلاپس را دارند که از سریع‌ترین ابر رایانه آمریکا در ۱۹۹۴یعنی لابراتور ملی‌ Sandia با ۳۶۸۰ مرکز پردازش، سریع تر است.

پلی استیشن ۴ توانایی عملکردی نزدیک به ۱.۸ تریلیون FLOPS به خاطر ساختار میکرو سلولی خود دارد و می‌‌تواند ابر رایانه ASCI Red که در سال ۱۹۹۸ در صدر بهترین رایانه‌ها بود را نزدیک به ۱۵ سال بعد از زمان تولیدش مغلوب کند.

پردازشگر Watson Al System شرکت IBM در حال حاضر به بالاترین عملکرد خود یعنی‌ ۸۰ TFLOPS رسیده است که به هیچ عنوان نزدیک به لیست ۵۰۰ ابر رایانه ممتاز، نزدیک هم نیست. در این لیست رایانه چینی‌ Tianhe-2برای سومین دوره متولی با ۵۴۹۰۲ TFLOPS همچنان در صدر قرار دارد.

سوال این است که ابر رایانه رومیزی بعدی قرار است از چه کشوری باشد؟ و مهم تر از آن چه زمانی‌ به دست ما می‌‌رسد؟

 ورود به مرزهای توانایی

امروزه، نیروی محرکه‌ای که به افزایش سرعت پیشرفت منجر شده، دانش مواد و معماری طراحی است: فرایند تولید در ابعاد نانومتر به معنی چیپ‌های نازک تر، سریع تر و هدر رفتن کمتر انرژی به صورت گرما است که باعث می شود نیاز به انرژی کمتری داشته باشند.

همچنین با توسعه طراحی چند هسته‌ ای در اواخر دهه ی ۲۰۰۰ بسیاری از پردازنده‌ها تا تک چیپی بودن کوچک شده اند. این تکنولوژی با سیستم‌های محاسبه گر رو به رشد ترکیب شده است و باعث گشته لیست ۵۰۰ گزینه ممتاز همیشه در حال پیشرفت باشد، پیشرفتی که تقریبا بر قانون مور منطبق است.

اگر چه باید به این نکته اشاره کرد که قانون‌های فیزیک در حال محدود کردن راه برای پیشرفت پردازنده ها هستند، به حدی که Intel را در این زمینه نگران کرده است.

<<ظرف مدت ۱۰ سال یا کمتر ما شاهد نقض قانون مور خواهیم بود. در حقیقت ما کم شدن شیب قانون مور را به عینه می بینیم. افزایش قدرت در رایانه‌ ها نمی‌‌ تواند رشد خود را با استفاده از تکنولوژی سیلیکون ادامه دهد. دکتر Michio Kaku سال ۲۰۱۲>>

مشکل اساسی‌ در طراحی‌های امروزه این است که ترانزیستور‌ها یا در حالت روشن (۱) یا در حالت خاموش (۰) هستند. هر بار که دریچه ترانزیستور می چرخد مجبور به از دست دادن مقداری انرژی است تا از چرخش بایستد. هر چقدر که این دریچه‌ها کوچکتر می‌‌شوند، نسبت انرژی که برای استفاده از ترانزیستور است به انرژی مورد نیاز برای چرخش دریچه بزرگ تر می‌‌شود و مشکلات گرمایی و قابلیت اطمینان به وجود می‌‌آورند. سیستم‌ های امروزی در حال نزدیک شدن به محدودیت های فیزیکی هستند و مواد و شیوه ی طراحی هم برای از بین بردن این محدودیت ها راه حلی ندارد.

به تازگی تحقیقاتی در زمینه ی شیوه ی جدید پردازش در حال انجام است. دو شرکت به طور خاص توانسته اند به موفقیت هایی در زمینه پردازش کوانتومی و نوری دست پیدا کنند. شرکت‌های D-Wave Systems کانادایی و Optalysys بریتانیایی که هر کدام روش مخصوص خود را در مواجه با مشکلات دنبال می‌‌کنند.

 وقت تغییر فرا رسیده

D-Wave مصاحبه‌های خبری زیادی داشته و کامپیوتر مخوف و مرموز این شرکت با ظاهر نسبتاً فضایی شامل چیپی عریان است که قابلیت پردازشی غیر قابل تصوری دارد.

در اصل، سیستم D2 یک راهکار کاملا متفاوت را برای حل مشکلات، شامل کنار گذاشتن کتاب قوانین علت و معلول، انتخاب کرده است. به راستی این شیوه ی جدید در محاسبه و حل مسئله راه گشا خواهد بود؟

 مرد سردرگم

به صورت کلی اگر بخواهید مسائلی همچون بازار سرمایه و اقتصاد را حل کنید، از آن جایی‌ که راه‌های متفاوتی وجود دارد، با استفاده از روش های عددی و سنتی قدیمی به جواب نخواهید رسید. به طور مثال، مسئله ی معروف "فروشنده ی دوره گرد" را در نظر بگیرید. مردی می خواد با n شهر داده شده و چندین متغیر دیگر از جمله هزینه و سختی راه، کوتاه‌ترین مسیر برای بازدید از همه شهر‌ها را پیدا کنید. در این مسئله فرقی نمی کند که شما از کدام مسیر حرکت کنید، چون در نهایت همه ی شهر ها را خواهید پیمود، مسئله ی اصلی ترتیب ورود به شهر ها است، این قضیه در خیلی از علوم از جمله ساخت میکروپردازنده ها، مدیریت جریان کالا و DNA اهمیت بسزایی دارد.

ولی‌ همه این مسئله ها می توانند به فرایند‌های ساده تری تبدیل شوند: یک نقطه را انتخاب کن، راه‌های منتهی‌ به نقاط دیگر را نمایش بده، فاصله‌ها را اندازه گیری کن، و در صورت وجود راه کوتاه تر به نقطه بعدی آن را انتخاب کن و تا تمام شدنش اندازه گیری راه‌ها ادامه بده. این یک روش حل اینگونه مسائل بوده است.

شاید مسائل معروف به "فروشنده ی دوره گرد" در ابتدا به نظر ساده می‌‌رسند، برای داده‌های کوچک همین طور است؛ برای ۳ شهر ۳*۲*۱=۶ راه وجود دارد و برای ۷ شهر ۵۰۴۰ راه موجود است که برای رایانه مشکلی‌ ایجاد نمی‌‌کند. بسیار ساده است، تعداد راه حل های ممکن N فاکتوریل (N!) است.

هرچند اگر شما کمی‌ پیش تر بروید برای بازدید از ۱۰ شهر به بیش از ۳ میلیون راه برسید. زمانی‌ که به رقم ۱۰۰ شهر دست یافتید تعداد راه‌ها به عددی شامل یک ۹ همراه با ۱۵۷ عدد دیگر در کنار آن می‌‌رسد. تنها راه برای مشاهده این  موضوع رسم آن در نمودار‌های لگاریتمی است که محور y آن، ۱(۰^۱۰)، ۱۰(۱^۱۰)، ۱۰۰(۲^۱۰) و الی آخر هستند.

اگر فکر می کنید اینطور مسائل مربوط به کشورهای پیشرفته است، کافی است خودتان را به جای سازمان توزیع کننده ی آرد در کشور عزیزمان ایران قرار دهید تا متوجه شوید که این طور مسائل چه قدر می توانند معمول و وافر باشند.

در واقع در خیلی از مسائل عدد‌ها بزرگ تر از آن هستند که بتوان با ماشین‌های موجود امروزی یا هر ماشین دیگری که از تکنولوژی محاسبه سنتی استفاده می‌‌کنند، محاسبه شوند. اما آنچه D-Wave انجام می‌‌دهد کاملا متفاوت است.

Vesuvius وارد می شود

چیپست Vesuvius در کامپیوتر D2 از حدود 500 qubit یا کوانتوم بیت استفاده می کند تا بتواند به روشی به نام پردازش کوانتومی، اطلاعات را پردازش کند. در Vesuvius به جای این که اطلاعات به صورت صفر و یک پردازش شوند، حالت جدیدی به وجود آمده است که نه صفر است و نه یک، می توان گفت چیزی بین این دو، که با وجودش می توان تعریف جدیدی از الگوریتم های حل مسئله داشت.

اگر بخواهیم ساده تر بگوییم، این طرز از پردازش می تواند شدنی بودن راه حل های مختلف را به صورت همزمان بررسی کند. برای مثال توپی را فرض کنید که از روی تپه ای به سمت دره در حال حرکت است، اگر قصد داشته باشیم از روش کوانتومی دریابیم که کوتاه ترین مسیر کدام خواهد بود، کافی است بفهمیم که توپ در نهایت در کجا فرود خواهد آمد و سپس محاسبات را از آن طرف انجام دهیم.

خب بیایید این بحث ها را کنار بگذاریم و ببینیم این کوانتوم در برابر صفر و یک چه می کند. برای بسیاری این سوال پیش آمده است که میانگین سرعت پردازش D-Wave چه قدر از کامپیوتر های معمولی سریع تر است. در آزمایشی که اخیرا انجام گرفت، یک مسئله ی نسبتا معمولی "فروشنده ی دور گرد" برای کامپیوتر های رایج 30 دقیقه زمان برد تا حل شود، حدس می زنید برای Vesuvius چه قدر طول کشید؟ نیم ثانیه.

البته قرار نیست که در آینده بر روی چنین سیستمی GTA بازی کنیم. زیرا نحوه ی پردازش داده در کامپیوتر های کوانتومی به کل متفاوت است و همچنین این کامپیوترها هدفی غیر از سرگرم کردن کاربران خانگی را به عهده دارند.

کامپیوتر D-Wave در بخش های مخصوصی که برایش طراحی شده است، چندین بار سریع تر از کامپیوتر های معمولی عمل می کند. در مقیاس فلاپس این کامپیوتر در مقایسه با هم قطاران صفر و یکیش که سرعت فوق العاده ی 420 GLFOPS را دارند، با سرعت خارق العاده ی 1.5 Peta-FLOPS کار می کند که باعث می شود در لیست 10 کامپیوتر برتر سال قرار بگیرد. شاید بزودی با گسترش پردازش کوانتوومی معیار فلاپس هم به دلیل کوچک بودن، کنار گذاشته شود.

این حیطه از پردازش حل مسائل بخصوص (و البته جالبی) را مد نظر دارد. یکی از مسائل جالب و البته نگران کننده در این زمینه رمز گشایی و بطور خاص رمز گشایی روابط افراد جامعه است.

خوشبختانه D-Wave طراحی شده تا بر روی بهبود الگوریتم ها کار کند و البته محدودیت هایی در برنامه نویسی آن صورت گرفته است، بطور مثال نمی توان از چیپ Vesuvius برای رمز گشایی الگوریتم Shore استفاده کرد که منجر به باز شدن بی حد و مرز اینترنت می شود.

 محاسبات لیزری

شرکت دیگری که در بالا از آن نام بردیم Optalysys نام دارد. این شرکت بریتانیایی مسائل را تبدیل به نور می کند و آن ها را در کلاس های مختلفی قرار می دهد و از طبیعت نور برای حل آنها بهره می گیرد. ویدیو زیر توضیحاتی را در مورد اساس کار این نوع پردازش می دهد.

[videojs mp4="http://cdn.digiato.com/Optalysys-Optical-Computing-Explained-by-Professor-Heinz-Wolff.mp4"]

شاید این کامپیوتر قدری زمخت به نظر برسد، اما در واقع دانشمندان بسیار امیدوار هستند که روزی از این رایانه ها به عنوان سیستم های خانگی و همچنین شبیه سازی ها، طراحی ها و سیستم های پزشکی ( و شاید هم بازی های کامپیوتری) استفاده شود. درست مثل Vesuvius این کامپیوتر برای تمام فرآیند های روزمره ساخته نشده است، اما از اساس قرار هم نبوده که این کارها را انجام دهد.

برای درک بهتر از شیوه ی پردازش نوری می توان آن را همانند یک پردازنده ی گرافیکی یا همان GPU فرض کرد. GPU های جدید از شیوه های تازه برای پردازش چندین داده مختلف به صورت هم زمان استفاده می کنند. این واحد از پردازش موظف است داده هایی را تحلیل کند که از بخش های متفاوتی از سیستم آمده اند و کارایی متفاوتی دارند. معماری این پردازنده چیزی شبیه به کارت گرافیک ها است اما به صورتی عظیم تر و گسترده تر داده هایی همچون داد و ستد های بازار سرمایه و یا شبکه عصبی را محاسبه می کند.

Optalsys داده های مشابه را در دسته های یکسان قرار می دهد، سپس آنها را به صورت نور مرئی در می آورد. هر داده با پالسی خاص و مقدار تابشی خاص. همه ی این ها با یک هماهنگی فوق العاده عمل می کنند که باعث صرفه جویی بی نظیری در وقت و انرژی می گردد.

نمونه ی اولیه دستگاه از 500 در 500 واحد از پردازنده های 20 هرتزی استفاده می کند تا داده ها را پردازش کند. این سیستم 250000 واحدی می تواند با توان 40 GFLOPS کار کند. توسعه دهندگان این دستگاه سرعت 340 GFLOPS را برای سال بعد مد نظر دارند که برای این تعداد واحد پردازنده مقداری فوق العاده است.

ابر کامپیوتر من کجاست؟

تاریخ رایانه ها نشان داده است که نتیجه ی تحقیقات دانشمندان و آزمایشگاه های سازمان ها و دولت ها در زمینه کامپیوتر ها، خیلی سریع راه خود را به خانه های مردم باز می کند. متاسفانه همین تاریخ کامپیوتر ها چیزی در مورد محدودیت های فیزیکی طراحی ها نمی گوید.

شاید D-Wave و Optalsys دقیقا همان تکنولوژی هایی نباشند که 5 تا 10 سال دیگر بر روی میز کارمان قرار خواهند گرفت. در نظر داشته باشید که اولین ساعت مچی هوشمند سال 2000 ساخته شد، اما نمونه های بعدی سال 2013 روانه بازار شدند. به هر حال کامپیوتر های کوانتومی و نوری اگر هم راهی به بازار نداشته باشند، تجربه ای خواهند بود برای رهروان مسیر پردازنده ها.

مواد مصرفی در رایانه در حال نزدیک شدن به مرز زیست ماده ها است. استفاده از ساختاری شبیه به DNA برای طراحی نانو پردازنده ها خواب و خوراک را از برخی دانشمندان گرفته است. نانو تکنولوژی در مسیر گام نهاده تا بجای این که "داده ها" پردازش شوند، خود ماده حاوی و نمایانگر و پردازنده ی اطلاعات باشد.

یک لیوان آب خنک بنوشید. دنیا پر از تکنولوژی های جدید است که در جهت های گاها متفاوت گام بر می دارند. فکر می کنید قرار است نتیجه ی این تحقیقات به کجا برسد؟ آیا ساعتمان می تواند جای کیس مان را بگیرد؟ نظرات خود را با ما در میان بگذارید.