การประนีประนอมคอมพิวเตอร์ควอนตัมของไอบีเอ็ม—ถนนสู่การปรับขนาด? โปรเซสเซอร์ควอนตัมของ Big Blue เสียสละการเชื่อมต่อเพื่อความเรียบง่าย
คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นเครื่องจักรที่ซับซ้อนที่สุดที่มนุษย์เคยสร้างมา แต่ความซับซ้อนที่คุณสร้างนั้นมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพและความสามารถในการปรับขนาด ผู้นำในอุตสาหกรรม อาจไม่แปลกใจเลยที่บางครั้งใช้แนวทางที่แตกต่างกันมาก
พิจารณาไอบีเอ็ม ในสัปดาห์นี้ (8 สิงหาคม) โปรเซสเซอร์ควอนตัมของBig Blueทั้งหมดจะใช้รูปแบบหกเหลี่ยมที่มีการเชื่อมต่อระหว่างqubits ที่น้อยกว่ามาก— เทียบเท่ากับควอนตัมของบิต — กว่าเค้าโครงสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่ใช้ในการออกแบบก่อนหน้านี้และโดยคู่แข่งอย่างGoogleและRigetti Computing .
นี่คือจุดสุดยอดของการทดลองเป็นเวลาหลายปีกับโทโพโลยีโปรเซสเซอร์ที่แตกต่างกัน ซึ่งอธิบายรูปแบบทางกายภาพของอุปกรณ์และการเชื่อมต่อระหว่างคิวบิตของอุปกรณ์ เครื่องจักรของบริษัทได้เห็นจำนวนการเชื่อมต่อที่ลดลงอย่างต่อเนื่อง แม้ว่าจะมีการวัดความก้าวหน้าของตัวเองซึ่งเรียกว่า”ปริมาณควอนตัม”ก็ตาม ให้น้ำหนักที่สำคัญต่อการเชื่อมต่อที่สูง
นั่นเป็นเพราะการเชื่อมต่อมีค่าใช้จ่าย” Paul Nation นักวิจัยของ IBM กล่าว โปรเซสเซอร์ควอนตัมในปัจจุบันมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาด และยิ่งมีการเชื่อมต่อระหว่าง qubits มากเท่าไหร่ ปัญหาก็จะยิ่งแย่ลงเท่านั้น การลดขนาดการเชื่อมต่อนั้นส่งผลให้ข้อผิดพลาดลดลงแบบทวีคูณ Nation กล่าว ซึ่งบริษัทคิดว่าจะช่วยให้พวกเขาขยายขนาดเร็วขึ้นสำหรับโปรเซสเซอร์ที่ใหญ่กว่ามาก ซึ่งจำเป็นสำหรับการแก้ปัญหาในโลกแห่งความเป็นจริง
“ในระยะสั้นมันเจ็บปวด” เนชั่นกล่าว “แต่การคิดไม่ใช่สิ่งที่ดีที่สุดในวันนี้ แต่เป็นการดีที่สุดสำหรับวันพรุ่งนี้”
ไอบีเอ็มเปิดตัวโทโพโลยีที่เรียกว่า “heavy-hex” เป็นครั้งแรกในปีที่แล้ว และบริษัทได้ทยอยเลิกใช้โปรเซสเซอร์ด้วยเลย์เอาต์ทางเลือก หลังจากสัปดาห์นี้ โปรเซสเซอร์มากกว่า 20 ตัวที่พร้อมใช้งานบน IBM Cloud จะขึ้นอยู่กับการออกแบบ และ Nation กล่าวว่าจะใช้เลขฐานสิบหกจำนวนมากในอุปกรณ์ทั้งหมดที่ระบุไว้ในแผนงานควอนตัมอย่างน้อยก็จนถึงโปรเซสเซอร์ Condor ขนาด 1,121-qubit ที่วางแผนไว้สำหรับปี 2023
“ในระยะสั้นมันเจ็บปวด แต่การคิดไม่ใช่สิ่งที่ดีที่สุดในวันนี้ แต่เป็นสิ่งที่ดีที่สุดสำหรับวันพรุ่งนี้”
โครงสร้างพื้นฐานคือ 12 qubits ที่จัดเรียงเป็นรูปหกเหลี่ยมโดยมี qubit ในแต่ละจุดและอีกอันอยู่ที่ขอบแบนแต่ละอัน qubits ตามขอบจะเชื่อมต่อกับเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดสองคนเท่านั้น ในขณะที่จุดบนจุดสามารถเชื่อมต่อกับ qubit ที่สาม ซึ่งทำให้สามารถต่อรูปหกเหลี่ยมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโปรเซสเซอร์ที่ใหญ่ขึ้น
เลย์เอาต์แสดงถึงการลดลงอย่างมากในการเชื่อมต่อจาก square lattice ที่ใช้ในโปรเซสเซอร์รุ่นก่อนๆ ของบริษัท รวมถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมอื่นๆ ส่วนใหญ่ที่ใช้ qubits ตัวนำยิ่งยวด ในโทโพโลยี qubits นั้นมักจะเชื่อมต่อกับเพื่อนบ้านสี่คนเพื่อสร้างตารางสี่เหลี่ยม คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้ trapped-ion qubits เช่นเดียวกับที่ผลิตโดยHoneywellและIonQไปไกลกว่านั้นและอนุญาตให้มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างสอง qubits แม้ว่าเทคโนโลยีจะมาพร้อมกับความท้าทายของตัวเอง
การตัดสินใจเกิดขึ้นจากชนิดของ qubits ที่ IBM ใช้ Nation กล่าว qubits ที่ใช้โดยบริษัทเช่น Google และ Rigetti สามารถปรับให้ตอบสนองต่อความถี่ไมโครเวฟที่แตกต่างกันได้ แต่ IBM ได้รับการแก้ไขแล้ว ทำให้ง่ายต่อการสร้างและลดความซับซ้อนของระบบควบคุม Nation กล่าว แต่เลย์เอาต์ยังทำให้การหลีกเลี่ยงการชนกันของความถี่ทำได้ยากขึ้นเมื่อควบคุมหลาย qubits พร้อมกัน นอกจากนี้ การเชื่อมต่อไม่สามารถปิดได้อย่างสมบูรณ์—ดังนั้น qubits ยังคงใช้อิทธิพลที่อ่อนแอต่อเพื่อนบ้านแม้ว่าจะไม่ได้เกี่ยวข้องกับการดำเนินการก็ตาม
ปรากฏการณ์ทั้งสองสามารถสลัดการคำนวณออกไปได้ แต่ด้วยการเปลี่ยนไปใช้โทโพโลยีที่มีการเชื่อมต่อน้อยกว่า นักวิจัยของ IBM สามารถลดผลกระทบทั้งสองได้อย่างมาก ซึ่งทำให้ข้อผิดพลาดลดลงแบบทวีคูณ
การเชื่อมต่อที่น้อยลงทำให้การใช้วงจรยากขึ้นมากFranco Noriหัวหน้านักวิทยาศาสตร์ของห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ควอนตัมเชิงทฤษฎีที่สถาบันวิจัย Rikenในญี่ปุ่นกล่าว หากสอง qubits ไม่ได้เชื่อมโยงโดยตรง การทำให้พวกเขาโต้ตอบเกี่ยวข้องกับชุดของการดำเนินการ swap ที่ส่งผ่านค่าจาก qubit ไปยัง qubit จนกว่าจะอยู่ติดกัน ยิ่งมีการเชื่อมต่อโดยตรงน้อยลง ยิ่งต้องใช้การดำเนินการมากขึ้น และเนื่องจากแต่ละรายการมีความเสี่ยงต่อข้อผิดพลาด กระบวนการจึงกลายเป็นเหมือนเกมของ “โทรศัพท์” โนริกล่าว
“คุณกระซิบข้อมูลให้เพื่อนบ้านฟัง แต่เมื่อถึงอีกฝั่งหนึ่ง ความน่าจะเป็นที่มันจะเป็นเรื่องไร้สาระก็มีมาก” เขากล่าว “คุณไม่ต้องการมีคนกลางมากมาย”
การเชื่อมต่อที่ลดลงจะช่วยเพิ่มจำนวนการดำเนินการที่จำเป็น Nation กล่าว แต่ทีมงานพบว่าค่าใช้จ่ายคงที่เมื่ออุปกรณ์ขยายใหญ่ขึ้น หากพวกเขายังคงลดข้อผิดพลาดแบบทวีคูณสำหรับการดำเนินการแต่ละครั้ง ผลกระทบของการดำเนินการจะลดลงอย่างรวดเร็ว เขากล่าวเสริม “คุณจ่ายราคา” เขากล่าว “แต่ถ้าคุณสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานแบบสองควิบิตของคุณต่อไปได้ เมื่อเวลาผ่านไป คุณจะทำมากกว่าชดเชยสำหรับค่าใช้จ่ายนั้น”
การลดลงแบบทวีคูณของข้อผิดพลาดจะดำเนินต่อไปหรือไม่นั้นไม่ชัดเจน Nation ยอมรับว่ากำไรส่วนใหญ่มาจากการลดการเชื่อมต่อ ซึ่งเป็นช่องทางที่อิ่มตัวไปแล้ว ความก้าวหน้าต่อไปจะต้องมาจากความก้าวหน้าในด้านอื่นๆ เช่น วัสดุศาสตร์และการออกแบบฮาร์ดแวร์
Fred Chongศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยชิคาโกซึ่งศึกษาการคำนวณควอนตัมกล่าวว่าการแลกเปลี่ยนของ IBM นั้นสมเหตุสมผล แม้ว่า qubits ที่ปรับแต่งได้ของ Google สามารถรองรับการเชื่อมต่อได้มากขึ้น แต่ก็ซับซ้อนกว่าในการสร้างด้วย เขากล่าว ซึ่งทำให้การปรับขนาดยากขึ้น Google ไม่ตอบสนองต่อคำขอสัมภาษณ์
สำหรับลูกค้าองค์กรบางราย การที่ตอนนี้ IBM มีผลิตภัณฑ์คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลหมายความว่าเครื่องเล็กๆ เหล่านี้ไม่ใช่แฟชั่นแนวฮิปปี้ที่คลั่งไคล้ แต่แท้จริงแล้วเป็นคอมพิวเตอร์ประเภทใหม่อย่างแท้จริง
Estridge เข้ากันไม่ได้กับผู้บริหารระดับสูงของ IBM โดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้ที่อยู่ฝั่งเมนเฟรมของบ้าน ในช่วงต้นปี 1985 Opel ได้แต่งตั้ง Bill Lowe เป็นหัวหน้าฝ่ายธุรกิจพีซี
แล้วเกิดภัยพิบัติขึ้น เมื่อวันที่ 2 สิงหาคม พ.ศ. 2528 เอสทริดจ์ ภรรยาของเขา แมรี่ แอนน์ และพนักงานขายของ IBM จำนวนหนึ่งจากลอสแองเจลิสขึ้นเครื่องบินเดลต้าไฟลท์ 191มุ่งหน้าไปยังดัลลาส เหนือสนามบินดัลลัส ซึ่งอยู่ห่างจากพื้นดิน 700 ฟุต กระแสน้ำไหลลงอย่างแรงได้กระแทกเครื่องบินลงกับพื้น ทำให้มีผู้เสียชีวิต 137 รายรวมถึงเอสทริดจ์และทั้งหมดยกเว้นพนักงาน IBM คนอื่น ๆ คนหนึ่ง IBMers ตกตะลึง แม้ว่าเขาจะมีปัญหากับผู้บริหารระดับสูง แต่ Estridge ก็ได้รับความนิยมและเป็นที่เคารพนับถืออย่างสูง ไม่ใช่ตั้งแต่การเสียชีวิตของโธมัส เจ. วัตสัน ซีเนียร์ เมื่อเกือบ 30 ปีก่อน พนักงานต้องตะลึงกับการเสียชีวิตในไอบีเอ็ม พนักงานหลายร้อยคนเข้าร่วมงานศพของเอสทริดจ์ ความมหัศจรรย์ของพีซีอาจเสียชีวิตก่อนที่เครื่องบินจะตก แต่โศกนาฏกรรมที่ดัลลัสยืนยันได้
ความผิดพลาดมากขึ้นถึงวาระที่ IBM PC และระบบปฏิบัติการ OS/2 ของมัน
ในขณะที่ไอบีเอ็มยังคงขายคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลหลายล้านเครื่อง เมื่อเวลาผ่านไปกำไรจากธุรกิจพีซีก็ลดลง ส่วนแบ่งตลาดพีซีของไอบีเอ็มลดลงจากประมาณ 80 เปอร์เซ็นต์ในปี 2525-2526 เป็น 20 เปอร์เซ็นต์ในทศวรรษต่อมา
ในขณะเดียวกัน IBM ได้ร่วมมือกับ Microsoft ในระบบปฏิบัติการใหม่ OS/2 แม้ว่า Microsoft จะทำงานบน Windows ก็ตาม ซึ่งมาแทนที่ DOS ทั้งสองบริษัททะเลาะกันเรื่องค่าลิขสิทธิ์และวิธีการทำงานบน OS/2 ภายในปี 1987 IBM มีโปรแกรมเมอร์มากกว่าหนึ่งพันคนที่มอบหมายให้โครงการนี้และเพื่อพัฒนาโทรคมนาคม โดยมีมูลค่าประมาณ 125 ล้านดอลลาร์ต่อปี
ในที่สุด OS/2 ก็ออกมาในปลายปี 1987 ด้วยราคา 340 ดอลลาร์ บวก 2,000 ดอลลาร์สำหรับหน่วยความจำเพิ่มเติมเพื่อใช้งาน ถึงเวลานั้น Windows ออกสู่ตลาดมาสองปีแล้วและได้รับความนิยมอย่างล้นหลาม แอพพลิเคชั่นซอฟต์แวร์สำหรับ OS/2 ใช้เวลาอีกหนึ่งปีในการออกสู่ตลาด และถึงกระนั้นระบบปฏิบัติการใหม่ก็ยังไม่ทันได้ตั้งตัว ตามที่นักเขียนธุรกิจ Paul Carroll กล่าวไว้ OS/2 เริ่มได้รับ “กลิ่นของความล้มเหลว”
Gates ซึ่งเป็นที่รู้จักนอก IBM และ Microsoft ไม่กี่คน ได้เสนอขาย IBM ส่วนหนึ่งของบริษัทของเขาในช่วงกลางปี 1986 เป็นที่ชัดเจนว่า Microsoft กำลังจะกลายเป็นหนึ่งในบริษัทที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดในอุตสาหกรรม แต่ Lowe ปฏิเสธข้อเสนอ ซึ่งอาจเป็นความผิดพลาดครั้งใหญ่เป็นอันดับสองในประวัติศาสตร์ของ IBM จนถึงปัจจุบัน หลังจากที่เขาไม่ยืนกรานเรื่องกรรมสิทธิ์ใน DOS ของ Microsoft หรือชิป Intel ที่ใช้ในพีซี ราคาซื้อน่าจะอยู่ที่ประมาณ 100 ล้านดอลลาร์ในปี 2529 ซึ่งเป็นจำนวนที่ในปี 2536 จะได้รับผลตอบแทน 3 พันล้านดอลลาร์และในทศวรรษต่อๆ มามีคำสั่งซื้อจำนวนมากขึ้น
เพื่อความเป็นธรรมต่อ Lowe เขากังวลว่าการซื้อกิจการดังกล่าวอาจก่อให้เกิดความกังวลเรื่องการต่อต้านการผูกขาดที่กระทรวงยุติธรรมสหรัฐ แต่ฝ่ายบริหารของเรแกนไม่ต้องการยุ่งเกี่ยวกับกิจการของบรรษัทข้ามชาติขนาดใหญ่
Gates เสนอขาย IBM ส่วนหนึ่งของ Microsoft ในกลางปี 1986 แต่ Lowe ปฏิเสธข้อเสนอ ซึ่งอาจเป็นความผิดพลาดครั้งใหญ่เป็นอันดับสองในประวัติศาสตร์ของ IBM จนถึงตอนนั้น
ยิ่งไปกว่านั้น Lowe, Opel และผู้บริหารระดับสูงคนอื่นๆ ไม่เข้าใจตลาดพีซี Lowe เชื่อว่าพีซี และโดยเฉพาะอย่างยิ่งซอฟต์แวร์ ควรได้รับการทดสอบที่เข้มงวดเช่นเดียวกับผลิตภัณฑ์อื่นๆ ของบริษัท นั่นหมายถึงการไม่แนะนำซอฟต์แวร์จนกว่าจะใกล้เคียงกับการป้องกันจุดบกพร่องมากที่สุด นักพัฒนาซอฟต์แวร์พีซีรายอื่นๆ ทุกคนต่างเห็นคุณค่าของความเร็วในการทำตลาดมากกว่าคุณภาพ—ดีกว่าเพื่อให้ได้สิ่งที่ออกมาเร็วกว่าที่ทำงานได้ดี ให้ผู้ใช้ระบุปัญหา แล้วจึงแก้ไขปัญหาอย่างรวดเร็ว โลว์ตกตะลึงกับกลยุทธ์นั้น
พนักงานขายยื่นข้อเสนอให้ขายพีซีจำนวนมากในราคาลดพิเศษ แต่ได้รับการตอบกลับ ทีมขายที่ฉันจัดการเพื่อขายพีซี 6,000 เครื่องให้กับ American Standard ซึ่งเป็นผู้ผลิตเครื่องใช้ในห้องน้ำ แต่ต้องใช้เวลามากกว่าหนึ่งปีและคะแนนของการประชุมสำหรับสัญญาและทีมกฎหมายของ IBM เพื่ออนุมัติเงื่อนไข
ทีมงานของ Lowe ยังช้าที่จะยอมรับชิปที่เร็วกว่าที่ Intel ผลิตขึ้น โดยเฉพาะรุ่น 80386 ที่โดดเด่นที่สุด ชิป Intel ใหม่มีความเร็วและฟังก์ชันการทำงานที่เหมาะสมสำหรับคอมพิวเตอร์รุ่นต่อไป แม้ว่าคู่แข่งจะย้ายไปที่ 386 แต่ IBM ยังคงแต่งงานกับชิป 286 ที่ช้ากว่า