1 февраля
Василий Парфенов
31

Ученые оценили будущее фотонных компьютеров с точки зрения последних технологических достижений — и оно выглядит весьма многообещающим

3.4

Современная цивилизация сильно зависима от информационных технологий, и с каждым годом людям требуются все более мощные компьютеры. Кажется, прогресс не стоит на месте — и производительность электроники только растет. Но, по мнению международной команды ученых, это лишь видимость: на самом деле, микроэлектроника приближается к тупику. Они видят выход из ситуации в фотонных компьютерах и проанализировали, насколько человечество продвинулось в области их разработки.

Ученые оценили будущее фотонных компьютеров с точки зрения последних технологических достижений — и оно выглядит весьма многообещающим
Предлагаемая принципиальная схема нейроморфного фотонного процессора / ©Shastri, B.J., Tait, A.N., Ferreira de Lima, T. et al. Photonics for artificial intelligence and neuromorphic computing. Nat. Photonics 15, 102–114 (2021). https://doi.org/10.1038/s41566-020-00754-y

Новое исследование провели специалисты из Королевского университета в Кингстоне (Queen’s University, Канада), Принстонского университета (Princeton University, США), Вестфальского университета имени Вильгельма (University of Münster, Германия), Оксфордского университета (University of Oxford, Англия) и Университета Эксетера (University of Exeter, Англия). Результаты работы они опубликовали в рецензируемом журнале Nature Photonics.

Во вступлении к статье ученые отмечают, что вся современная электроника обладает коренным недостатком, проистекающим из самого принципа ее архитектуры. За крайне редким исключением компьютеры уже более 70 лет строятся по принципам архитектуры фон Неймана. То есть команды для обработки данных и сами данные совместно хранятся в памяти. Они представлены в одинаковом виде и отличаются лишь способом обращения к ним. У такого подхода есть невероятное множество проверенных временем достоинств, но и один существенный изъян.

Дело в том, что операции обращения к памяти — немного медленнее, чем операции обработки данных и выполнения вычислений. Этот недостаток обусловлен как принципами архитектуры, так и физическими ограничениями: сделать все ячейки памяти одинаково и одновременно доступными невозможно. Эта проблема получила название «узкое место архитектуры фон Неймана», или «фон-Неймановское бутылочное горлышко» (von Neumann bottleneck).

Всю историю развития компьютеров инженеры пытались сгладить эффект этого изъяна. У процессоров появился кэш и со временем стал многоуровневым, по-разному разделенным для отдельных блоков и типов данных. Даже притом что внутренняя память процессора намного быстрее оперативной, а та, в свою очередь, на порядок быстрее постоянных накопителей, глобально это лишь отодвинуло кризис, а не решило проблему. Более того, чрезмерно сложные механизмы работы с кэшем стали дополнительной головной болью для разработчиков и специалистов по кибербезопасности — стоит вспомнить только аппаратные уязвимости вроде Spectre и Meltdown.

Но есть и другое решение, радикально отличающееся от существующих на сегодня. В своем исследовании ученые проанализировали такое многообещающее направление работы, как фотонные компьютеры. В них роль переносчиков информации играют не электроны, а фотоны. По мнению специалистов, у таких систем есть все шансы стать будущим электроники. Правда, для этого придется полностью отойти от архитектуры фон Неймана и обратиться к природе, а точнее — к человеческому мозгу.

Исследователи предложили нейроморфную архитектуру фотонного процессора. Она интегрируется в существующие электронные схемы, но «под капотом» такого чипа — оптические вентили и запоминающие элементы. Они реализованы по принципу нейронов, то есть одновременно и хранят информацию, и обрабатывают ее. Подобный подход не только обещает более высокий потенциал для развития, но и позволяет на аппаратном уровне реализовать нейронную сеть. А это уже следующий скачок в прогрессе вычислительных систем. Достаточно посмотреть на то, какие впечатляющие результаты нейросетевые алгоритмы выдают на «обычных» компьютерах. Трудно даже представить, что произойдет, если из их работы будет устранена неоптимизированная фон-Неймановская логика.

Естественно, поскольку эта публикация не просто фантазии, пусть и достоверные, ее авторы потрудились аргументированно обосновать свои умозаключения. Среди прочего они обратили внимание на технологии, которые необходимо усовершенствовать или вовсе создать с нуля, чтобы такой компьютер мог эффективно работать. К сожалению, никаких прогнозов о том, когда стоит ждать подобные процессоры, в статье не содержится.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 05:45
Мария Азарова

Более низкие уровни интерлейкина-6 — маркера системного воспаления — выявили у людей, которые считали, что готовы предоставлять больше поддержки окружающим, чем получать взамен.

Вчера, 17:14
Ольга Иванова

Ученые из США пришли к выводу: любители электронных сигарет в два раза чаще страдают эректильной дисфункцией, чем некурящие люди.

Вчера, 19:51
Мария Азарова

Американские ученые вышли за рамки черт личности классической «Большой пятерки» и рассмотрели их в контексте прогнозирования финансовой успешности.

25 ноября
НИУ ВШЭ

Мобильные ученые публикуются в индексируемых журналах в два раза чаще. К такому выводу пришли исследователи из НИУ ВШЭ.

25 ноября
Илья Ведмеденко

Российские инженеры спроектировали самолет для межконтинентальных полетов в стратосфере. Его можно назвать условным аналогом британского Skylon.

26 ноября
Анастасия Михалева

За всю историю исследования в космосе побывали более 500 человек. В океан на глубину более 10 километров спускались всего трое. Мы до сих пор знаем о Мировом океане и его обитателях недопустимо мало.

3 ноября
Ольга Иванова

Исследований на эту тему, как ни странно, мало, хотя предположений — великое множество. По мнению ученых из Венгрии, одна из причин такого поведения — высокая концентрация внимания на речи хозяина, а еще это означает, что собака слышит знакомое слово.

12 ноября
Мария Азарова

Кошки оказывались сбиты с толку, когда их человек, как им казалось, «телепортировался» в новое, неожиданное место. Однако они не реагировали таким же образом на чужих людей или других животных.

2 ноября
Мария Азарова

Авторы новой работы на примере Шотландии определили характеристики людей, умерших от Covid-19, хотя они были привиты, а также выявили основные предикторы смертности.

[miniorange_social_login]

Комментарии

31 Комментариев

-
0
+
Не верю я в эту идею. Снова поиск "волшебной серебряной пули", одного лекарства от всех болезней. Это было, было... Совет учоным - открыть классич книшку Ф.Брукса "Мифический человеко-месяц". Во-2-х, копирование того, что придумала природа - не лучший вариант. С чего решили, что решения природы - идеальны? Например, веками копировали крылья и что? Полетели своим путем, непохожим на природный. В-3-х, до сих пор непонятно, как сама природа шариками и роликами вращает в мозгу. А уже решили сие копировать. В-4-х, почему решили, что потенциал электронов исчерпан? Дайте мне Вин2000х64, влепите в нее драйвера на совр уст-ва, адаптируйте к ней совр пр-мы, и вы увидите реактивное быстродействие даже на селероне. В разы, десятки раз превосходящее текущие сонные тормоза. Вот только производители матплат фактически похоронили вин2000 уже в 2005 г.... Им нужна движуха, смена уст-в. И произ-лям винды нужна движуха. Никому не нужна стабильная быстрая работа.
    Зачем Win2000, накати Mint или еще более легкий дистрибутив какой-нибудь Внезапно окажется, что не в ОС дело
    +
      ещё комментарии
      -
      0
      +
      Я бы с радостью Думаете я минт не умею вваливать. Одна проблема - на минте и на любом линухе не работают - --банк программы --госуслуги (а если работают, то с огромными усилиями) --бухпрограммы (те же гигантс усилия) --многочисленные костыли к многочисленным госпорталам ---автокад --печать - тоже проблема зачастую ---казахский драйвер (буквы с которого нормально уходят из бухии в банк, казначейство, пенсфонд и прочую эту шатию-братию, и банки потом НЕ возвращают обратно платежи из-за букаф) --еще масса других проблем, навскидку не упомню так что минт только секретаркам можно вваливать
        02.02.2021
        -
        1
        +
        Обновить компы у вас там в конторе не пробовали? С нулевых небось железки стоят.
        И как вам все там поможет Win2000, пусть даже 64-битная? Как только в нее притащат все драйвера и библиотеки, необходимые для работы этого софта, она будет тормозить еще сильнее, ибо новые низкоуровневые компоненты придется прилеплять костылями, переписывать ядро никто не будет. Ну и про безопасность можно будет напрочь забыть, количество дыр в старых WinNT запредельно Искренне не понимаю, чем борцунов с современным софтом не устраивают нынешние ОС и приложения. Венда наконец-то устаканилась, десятка допиливается и становится все лучше (у меня на старом ноуте заметно шустрее стала работать). Все приложения переезжают в веб, так что на компе больше нет проблемного и неоптимизированного мусора.
    02.02.2021
    -
    0
    +
    Всё правильно. Как войны двигают науку, так и игры двигают железо. Если бы военные не придумали в своё время ФАР, то когда бы ещё Сяоми сделали бы направленное зарядное устройство? P.S. Недавно зашёл в один обувной магазин. Так у них там до сих пор на кассах 98-я винда стоит... И ведь работает же! Первый раз увидел, чтобы РМК свёрнуто было. А ведь магазину лет 20!
    +
      ещё комментарии
      -
      0
      +
      Тесла сто лет назад и без всякого ФАРа лампы зажигал в комнате без провода. Правда, этот путь тупиковым был похоже. Никто не хотел в каждой (каждой) комнате делать передатчик энергии. Сяоми иногда делает очень интересные вещи. Фонарик у них неплохой в виде свечи.
        02.02.2021
        -
        1
        +
        ФАР нужна чтобы снизить мощность передатчика до относительно безопасных значений и уменьшения потерь на излучение во все стороны. О чем во времена Тесла не особо задумывались, а если бы и задумались не смогли бы реализовать. Да и потребности в зарядке мобильников тогда не было. Вспоминаем дискуссию о "великой европейской науке" и смело записываем Тесла в алхимики и лжеученые. Мало того что он не сумел найти практическое применение своим катушкам, так еще и придерживался вредных теорий о мировом эфире.
02.02.2021
-
0
+
Интересно? - Да!!! Но зачем? - Непонятно. Ещё в 80-е годы прошлого века было понятно, что в соревновании человека и компьютера побеждает симбиоз человека и компьютера. Человек, при виде графика функции, моментально определяет, возрастает эта функция на данном участке или убывает. Ему не нужно аппроксимировать эти функции и сравнивать производные. И из сотни графиков он моментально выберет именно тот, где функция возрастает быстрее всего. У внезапно появившегося в поле зрения автомобиля глаз человека моментально вычисляет направление и скорость движения в полярных координатах и через доли секунды этот автомобиль уже в центре внимания. Даже у трёхлетнего ребёнка, который понятия не имеет, что такое скорость вообще. И при этом вычислительные способности мозга намного скромнее смартфона. Вероятно, дело всё-таки в алгоритмах работы, на которые никто не хочет заморачиваться. Помню, на курсе по основам программирования нам прочитали лекцию, не входящую в программу (в конце 80-х это было модно, читать лекции по газете или журналу) под названием "А стоит ли программировать?", где разбирался пример с вычислением количества "счастливых билетов" в рулоне. Казалось бы, запусти цикл от 1 до 999999 и посчитай количество билетов. Время написания программы - 2 минуты. Машинное время - 20 минут (тогда ДВК считали дооолго). Можно ли оптимизировать подсчёт? Да без проблем! В итоге выходило на написание и оптимизацию программы - 40 минут, а машинное время сокращалось до 10 минут. Вероятно, можно было бы ещё пооптимизировать. Но смысл в этом полностью терялся. Именно поэтому софтверные фирмы не любят заниматься оптимизацией своих программ (а win всё больше и больше!). Человек для себя лично формирует алгоритм определения функций и хранит его в своей голове. Это его личный навык! Из-за его наличия он выше стоит. А писать алгоритмы для программы, которая их будет использовать в лучшем случае, пару раз - смысла никакого. Написать серьёзный оценочный алгоритм и запустить его в массы бесплатно, чтобы любая программа могла бы его "подцепить" и использовать... Ну это как-то не для нынешних экономических отношений))). Поэтому программисту гораздо проще написать цикл, который переберёт все эти функции. Сделать железо быстрее? Да, в общем-то и сейчас нынешние массовые ПК быстрее на несколько порядков тех ХТ, на которых запускали "Prince of Persia" или "Убей квадратик". При этом тогда никто не заморачивался на "лёгкость облаков" и "прозрачность воды". Ну, увеличим мы скорость ПК на ещё на порядок. Так ведь маркетологи ещё найдут, чем нагрузить картинку так, что "оптроны с фотонным движителем" будут тужиться и скрипеть. Извините, наболело...
    При чем здесь игры, массмаркет -- это далеко еще не вся компьютерная индустрия. Процессоры стали недостаточно производительными для обсчета больших данных и это не просто проблема, это катастрофа. Как создать новые лекарства, когда обсчет одной молекулы белка занимает месяцы на мощнейшей сети распределенных вычислений? Как продвигать астрономию, когда ученым приходится собирать по сусекам последние бабки с грантов, чтобы оплатить время суперкомпьютера и обработать терабайты полученных на телескопах данных? мы уже в бутылочном горлышке застряли. И даже если внезапно выкинуть все игры, биткоины и ресурсоемкий софт, высвободившихся мощностей хватит на год, максимум два. Причем бабки на разработку нового железа производителям резко неоткуда станет брать.
    +
      ещё комментарии
      02.02.2021
      -
      0
      +
      Бог мой! Сколько штампов! обсчет одной молекулы белка Белок - это не молекула, а соединение молекул. И все 20 молекул аминокислот, из которых состоит белок, уже давно известны. Обсчитывать их незачем. КЭШ в процессорах маленький не потому, что он супердорогой. Для суперкомпьютеров могли бы добавить, правда ведь? Маленький он потому, что адресное пространство меньше. Для адресации16-битного пространства требуется как минимум в 2 раза больше тактов, чем для 8-битного (без учёта накладных расходов). И каким образом фотоны "в качестве переносчиков информации" оказываются выгоднее электронов? У них что, скорость выше?
      Процессоры стали недостаточно производительными для обсчета больших данных
      Это не проблема процессоров. Это проблема количества данных. И если завтра процессор станет на порядок мощнее, уверяю Вас, учёные ему с лёгностью найдут данных на два порядка больше.
        >могли бы добавить Ага, да, конечно, транзисторный бюджет же резиновый, площадь кристалла бесконечная. Посмотрите на рентгеновские снимки современных процессоров -- там до половины площади кэш занимает, а иногда и больше. Обсчитывают не что там за молекула, а как она трансформируется в разных состояниях. Самый известный проект распределенных вычислений -- Folding@home именно этим и занимается, моделирует сворачивание белков. Если очень упрощенно. А от пространственной конфигурации белков зависят их свойства и поведение в реакциях. Я прекрасно знаю, что протеины -- это не одна молекула, не надо придираться к упрощениям. Суть фразы от этого не меняется, современная биология стала одной из самых зависимых от вычислительных мощностей наук. И дело тут не только в белках, есть еще невероятное количество случаев, когда биологам нужно обработать колоссальные объемы данных. Как-никак, с чрезвычайно сложными системами работают -- живыми организмами. А насчет фотонов -- спасибо, что комментируете, прочитав внимательно статью. Они не быстрее, просто используя их проще построить нейросеть.
          02.02.2021
          -
          1
          +
          спасибо, что комментируете, прочитав внимательно статью
          Жалко, что из моего комментария Вы прочли только последний абзац(((
          используя их проще построить нейросеть
          Интересно! Можно здесь поподробнее? Нейросеть на электронах вроде уже создали и она вроде как работает? Что нового принесут фотоны в неё?
          02.02.2021
          -
          0
          +
          "Самый известный проект распределенных вычислений -- Folding@home именно этим и занимается" Спасибо. Почитал про проект. И отзывы учёных о нём. Похоже, к науке он не имеет никакого отношения. Примерный обобщённый отзыв о нём выглядит так: "Это не нужно. Структуры этих белков получают обычной CryoEM. В них нет ничего сложного. ...в статьях (перечень) уже есть готовые результаты того, что пытаются вычислять геймеры". https://nplus1.ru/material/2017/10/11/cryoEM
            02.02.2021
            -
            0
            +
            В сущности вы сами ответили на свой вопрос еще в первом своем сообщении. Только свели все к эмоциям: "любит-не любит". Да на оптимизацию ПО требуются большие затраты времени квалифицированных специалистов. Порой проще (и дешевле) нарастить вычислительные мощности.
              Никакая оптимизация не устранит фундаментальную проблему любого современного чипа -- подгружать данные для обработки. Если я правильно понял предложение этих ребят, их нейроны одновременно и хранят данные и обрабатывают, то есть нет разделения на кэш и вычислительные блоки в процессоре
                02.02.2021
                -
                0
                +
                Так расскажите в чем суть предложения этих ребят.
                Я начинаю сомневаться, что умею писать, если честно. Покажите прямо, что в тексте это не считывается. Структура новости следующая: *Введение -- традиционная процессорная архитектура имеет ограничения *Постановка проблемы -- в рамках традиционной микроэлектроники это ограничение до сих пор обойти адекватно не смогли и только больше проблем создали *Предложение в описываемом исследовании -- фотонные чипы, построенные по аналогии с нейронами *За счет чего это лучше: >Они реализованы по принципу нейронов, то есть одновременно и хранят информацию, и обрабатывают ее *Краткий вывод и возврат к реальности -- сроков пока нет. Вроде все понятно. Более глубокие подробности -- это точно не в рамках новости, пусть и объемной. Чтобы вкурить подобную публикацию и внятно рассказать всю ее суть нужно потратить часов шесть, если ты хорошо шаришь в фотонике, микроэлектронике и физике, либо до недели, если ты хорошо обучаемый и готов ОЧЕНЬ упорно гуглить и спрашивать правильные вопросы.
                02.02.2021
                -
                0
                +
                Да ладно, не переживайте. Неплохо написано. Просто все эти идеи разнообразия архитектур существуют столько же, сколько сколько существуют вычислительные машины. Уж сколько всего напридумывали! И модульные системы (блоки вставляются в кросс-плату, один блок - одна программа и железо проц+память+материнка именно под эту задачу), и распределённые вычисления с момента организации сетей. А тут просто новость, типа "фотонное". Фотоны и ПК - сейчас это модная тема научного хайпа. Вот и заинтересовался. Не переживайте и пишите ещё!)))
                02.02.2021
                -
                1
                +
                Стираются грани между ресурсами научно-популярными и просто новостными. И это иногда печалит аудиторию.
            а) вы очень плохо понимаете методы научного познания, если считаете, что как только появляется новый инструмент, старый становится не нужен б) 250+ научных публикаций только как прямой результат работы Folding@home и еще огромное множество использовавших его результаты в качестве референса. Никакого отношения к науке, действительно в) смысл дискутировать с человеком, который докапывается до примера, если речь вообще о другом? тезис "компьютеры жизненно необходимы науке и нынешнего железа уже не хватает" никуда не делся. Folding@home приведен в качестве примера, с которым миллионы людей могут быть знакомы лично.
              02.02.2021
              -
              0
              +
              "смысл дискутировать с человеком, который докапывается до примера, если речь вообще о другом?" Так и у меня вообще о другом речь шла. Вы же докопались до игр? Или это Вы так не хотите отвечать на вопрос по существу: "Нейросеть на электронах вроде уже создали и она вроде как работает? Что нового принесут фотоны в неё?"
                Программные нейросети (все те ИИ, которые нынче в тренде) работают на традиционном железе, которое даже если адаптировано для них, все равно представляет из себя вычислитель+память (упрощенно). А точнее, кучу таких блоков, на которые можно распараллелить задачу. Нейроморфный процессор, который в этой работе предлагают, будет аппаратной нейросетью, без каких-либо программных прослоек и архитектурных ограничений. А почему не реализовать аппаратную нейросеть на транзисторах -- я, если честно, не хочу сейчас разбираться. Темой разговора было, что в статье написано)
          02.02.2021
          -
          0
          +
          Вот-вот! В чем принципиальное отличие оптических вентилей от электрических? Тема не раскрыта несмотря на частое упоминание слова "фотонный" Может конечно она раскрывается в исходной статье, но статейка-то платная. Не могли бы вы хоть намекнуть в чем отличие архитектуры Photonic Neural Network от обычных нейросетей? Каким образом эти волшебные вентили одновременно и хранят и обрабатывают информацию? Или пока это лишь условная блок-схема за которой нет реальных разработок?
            Кстати, а это мысль. Сейчас найду препринт. UPD. Ниже ссылка на препринт. Это статья, опубликованная до рецензирования научным журналом. То есть в ней текст может несколько отличаться. Но если сравнивать по публикациям в Nature превью есть), радикальных правок не было. Ну, и, плюч, раз прошло рецензию, значит в препринте не совсем бред был. https://www.researchgate.net/publication/345215520_Photonics_for_artificial_intelligence_and_neuromorphic_computing/link/5fbfaa01a6fdcc6cc66a0e00/download
              02.02.2021
              -
              0
              +
              Возможно, мой английский не слишком хорош, но единственное, что я понял, это предлагается модулировать свет различными частотами для уплотнения потока. Типа, что световой поток мы умеем надёжно экранировать и благодаря этому не будет наводок от высокой частоты на параллельных проводниках. Но при этом признаётся, что описанные там подходы основаны на комбинации фотонных устройств, управляемых более общими электронными схемами или микроконтроллерами. В основном это связано с тем, что в современных фотонных платформах отсутствуют некоторые стандартные блоки электроники, такие как логические вентили, высокоуровневые компиляторы и ассемблеры, аналого-цифровое-аналоговое преобразование и, что важно, память. Т.е. больше "рассуждений на тему", чем реальных решений. Типа, хорошо бы между модулями не провода в качестве шин пускать, а лучики света.
01.02.2021
-
2
+
Ничего не понял, но очень интересно.
    01.02.2021
    -
    1
    +
    Согласен. Фотоникой активно занимались в Советском Союзе, ну а в данной статье есть намёки, что не все компоненты для оптических процессоров даже теоретически существуют
    +
      ещё комментарии
      -
      0
      +
      Вы удивитесь, но гораздо больше фотоникой, мехатроникой и т.д. занимались в Японии на исходе 1980-х. В СССР даже вышла целая серия из 8-10 томов с рез-ми этого процесса. Ничего толком не вышло из него.

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: