Wir sagen Ihnen, welche neuen Dinge in Rechenzentren und nicht nur in diesen auftreten können.
/ Foto Jesse Orrico UnsplashEs wird angenommen, dass Siliziumtransistoren an ihre technologische Grenze stoßen. Letztes Mal haben wir über Materialien gesprochen, die Silizium ersetzen können, und alternative Ansätze für die Entwicklung von Transistoren
diskutiert . Heute sprechen wir über Konzepte, die die Funktionsprinzipien traditioneller Computersysteme verändern können:
Quantenmaschinen, neuromorphe Chips und DNA-basierte Computer .
DNA-Computer
Dies ist ein System, das die Rechenleistung von DNA-Molekülen nutzt. DNA-Stränge bestehen aus vier Stickstoffbasen: Cytosin, Adenin, Guanin und Thymin. Indem Sie sie in einer bestimmten Reihenfolge verknüpfen, können Sie Informationen codieren. Um die Daten zu modifizieren, werden spezielle Enzyme verwendet, die mithilfe chemischer Reaktionen die DNA-Ketten vervollständigen sowie diese schneiden und verkürzen. Solche Reaktionen können gleichzeitig in verschiedenen Teilen des Moleküls durchgeführt werden, was parallele Berechnungen ermöglicht.
Der erste DNA-basierte Computer wurde 1994 eingeführt.
Leonard Adleman, Professor für Molekularbiologie und Informatik, verwendete mehrere Röhrchen mit Milliarden von DNA-Molekülen, um
das Problem des Handlungsreisenden für ein Diagramm mit sieben Scheitelpunkten zu lösen. Adleman bezeichnete seine Peaks und Rippen mit DNA-Fragmenten mit zwanzig Stickstoffbasen und wandte dann die Methode der
Polymerasekettenreaktion (PCR) an.
Ein Nachteil von Adlemans Computer war sein „enger Fokus“. Er wurde wegen der Lösung eines Problems inhaftiert und konnte andere nicht ausführen. Seitdem hat sich die Situation geändert - Ende März stellten Wissenschaftler der University of Maynooth und des California Institute of Technology
einen Computer vor, auf den Daten in Form von DNA-Sequenzen heruntergeladen und neu programmiert werden können.
Das System ist in der Lage, den Weg für eine neue Art von Computersystem zu ebnen, es bleibt das Problem der langsamen Dateneingabe und -ausgabe zu lösen (der Sequenzierungsprozess ist ziemlich teuer und dauert lange).
Trotz der Schwierigkeiten
sagen Experten
, dass DNA-Computer in der Größe moderner Desktops in Zukunft die Leistung von Supercomputern übertreffen werden. Sie können in Rechenzentren Anwendung finden, die große Datenmengen verarbeiten.
Neuromorphe Prozessoren
Der Begriff "neuromorph" bedeutet, dass die Architektur des Chips auf den Prinzipien des menschlichen Gehirns basiert. Solche Prozessoren emulieren die Arbeit von Millionen von Neuronen mit Prozessen, die Axone und Dendriten genannt werden. Die ersteren sind für die Übermittlung von Informationen verantwortlich, während die letzteren für deren Wahrnehmung verantwortlich sind. Neuronen sind durch Synapsen miteinander verbunden - spezielle Kontakte, über die elektrische Signale (Nervenimpulse) übertragen werden.
Die Schaffung neuromorpher Systeme wurde bereits
in den 1990er Jahren diskutiert. Aber im Ernst, sie haben nach den 2000er Jahren angefangen, in diesem Bereich zu arbeiten. Spezialisten von IBM Research
nahmen am SyNAPSE-Projekt teil, dessen Ziel es war, einen Computer mit einer anderen Architektur als von Neumann zu entwickeln. Im Rahmen dieses Projekts entwarf das Unternehmen den
TrueNorth- Chip. Es emuliert die Arbeit von einer Million Neuronen und 256 Millionen Synapsen.
Neuromorphe Prozessoren arbeiten nicht nur bei IBM. Intel
entwickelt den Loihi-Chip seit 2017. Es besteht aus 130.000 künstlichen Neuronen und 130 Millionen Synapsen. Vor einem Jahr hat das Unternehmen
die Entwicklung eines Prototyps für die 14-nm-Prozesstechnologie abgeschlossen.
Neuromorphe Geräte können das Training neuronaler Netze beschleunigen. Solche Chips müssen im Gegensatz zu klassischen Prozessoren nicht regelmäßig auf Register oder Speicher für Daten zugreifen. Alle Informationen werden ständig in künstlichen Neuronen gespeichert. Mit dieser Funktion können Sie neuronale Netze lokal trainieren (ohne eine Verbindung zu einem Repository mit einer Reihe von Testdaten herzustellen).
Von neuromorphen Prozessoren wird erwartet, dass sie in Smartphones und im Internet der Dinge Verwendung finden. Bisher besteht jedoch keine Notwendigkeit, über die groß angelegte Implementierung von Technologie in Benutzergeräten zu sprechen.
Quantenmaschinen
Die Basis von Quantencomputern sind Qubits. Ihre Arbeit basiert auf den Prinzipien der Quantenphysik - Verschränkung und Überlagerung. Durch Überlagerung kann sich das Qubit gleichzeitig in einem Zustand von Null und Eins befinden. Verschränkung ist ein Phänomen, bei dem die Zustände mehrerer Qubits miteinander verbunden sind. Dieser Ansatz ermöglicht Operationen mit null und eins gleichzeitig.
/ Foto IBM Research CC BY-NAInfolgedessen lösen Quantencomputer eine Reihe von Problemen viel schneller als herkömmliche Systeme. Beispiele hierfür sind die Erstellung mathematischer Modelle im Finanz-, Chemie- und Medizinbereich sowie kryptografische Operationen.
Heute ist eine relativ kleine Anzahl von Unternehmen an der Entwicklung des Quantencomputers beteiligt. Unter ihnen sind IBM mit seinem
50-Qubit- Quantencomputer, Intel mit
49-Qubit und InoQ, das ein
79-Qubit-Gerät testet. In diesem Bereich befinden sich auch
Google ,
Rigetti und
D-Wave .
Es ist zu früh, um über die massive Einführung von Quantencomputern zu sprechen. Auch wenn Sie die hohen Kosten der Geräte nicht berücksichtigen, weisen sie schwerwiegende technologische Einschränkungen auf.
Insbesondere arbeiten Quantenmaschinen bei Temperaturen
nahe dem absoluten Nullpunkt . Daher werden solche Geräte nur in spezialisierten Labors installiert. Dies ist eine notwendige Maßnahme, um zerbrechliche Qubits zu schützen, die die Überlagerung nur wenige Sekunden lang aufrechterhalten können (Temperaturschwankungen führen zu ihrer
Dekohärenz ).
Obwohl IBM Anfang des Jahres
einen Quantencomputer
eingeführt hat , der außerhalb des Labors in einer streng kontrollierten Umgebung arbeiten kann - beispielsweise in lokalen Rechenzentren von Unternehmen. Sie können ein Gerät jedoch noch nicht kaufen, sondern nur über eine Cloud-Plattform ausleihen. Das Unternehmen verspricht, dass dieser Computer in Zukunft von jedem gekauft werden kann, aber wann dies geschieht, ist noch nicht bekannt.
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