คอมพิวเตอร์ควอนตัมต้องการพลังงานมากแค่ไหน?
Quantum AI Lab ของ Google ได้ติดตั้งรุ่นล่าสุดของสิ่งที่ระบบ D-Wave อธิบายว่าเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงพาณิชย์เครื่องแรกของโลก คอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจแก้ปัญหาบางอย่างได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกในปัจจุบัน ในขณะที่ใช้พลังงานค่อนข้างน้อยกว่าในการคำนวณ ทว่าประสิทธิภาพการใช้พลังงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมยังคงเป็นปริศนา
สำหรับตอนนี้ เครื่องของ D-Wave สามารถเพิ่มจำนวนควอนตัมบิต (qubits) ที่พวกเขาใช้ได้โดยไม่ต้องเพิ่มความต้องการพลังงานอย่างมีนัยสำคัญ นั่นเป็นเพราะฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ควอนตัมของ D-Wave อาศัยการออกแบบเฉพาะที่ประกอบด้วยลูปโลหะไนโอเบียมที่ทำหน้าที่เป็นตัวนำยิ่งยวดเมื่อแช่เย็นจนเย็นถึง 15 มิลลิเคลวิน (-273° C) การใช้พลังงานของฮาร์ดแวร์ D-Wave ส่วนใหญ่—น้อยกว่า 25 กิโลวัตต์เล็กน้อยสำหรับเครื่องล่าสุด—ใช้หน่วยทำความเย็นที่ช่วยให้โปรเซสเซอร์ควอนตัมเย็น ตัวประมวลผลควอนตัมนั้นต้องการเงินเล็กน้อยเปรียบเทียบ
Colin Williams ผู้อำนวยการฝ่ายพัฒนาธุรกิจและพันธมิตรเชิงกลยุทธ์ของ Colin Williams ผู้อำนวยการฝ่ายพัฒนาธุรกิจและพันธมิตรเชิงกลยุทธ์ของ Colin Williams กล่าวว่า “การทำงานของโปรเซสเซอร์ควอนตัมนั้นต้องการพลังงานเพียงเล็กน้อยอย่างน่าทึ่ง ระบบ D-Wave
เครื่องD-Wave 2X ขนาด 1 000 คิวบิตใหม่ที่ ติดตั้งในห้องทดลองของ Google มีคิวบิตมากกว่า เครื่อง D-Wave Two รุ่นก่อนประมาณสองเท่า แต่จำนวนพลังงานที่น้อยที่สุดที่ใช้โดยโปรเซสเซอร์ควอนตัมหมายความว่า ” พลังของระบบทั้งหมดจะยังคงคงที่ไม่มากก็น้อยสำหรับรุ่นต่อ ๆ ไป” แม้ว่าตัวประมวลผลควอนตัมจะปรับขนาดได้ถึงหลายพัน qubits วิลเลียมส์กล่าว
ขณะนี้ D-Wave สามารถหลีกเลี่ยงสิ่งนี้ได้เนื่องจากหน่วย “cryostat” เดียวกันที่ใช้พลังงานจำนวนมากจะยังคงเพียงพอที่จะทำให้โปรเซสเซอร์ควอนตัมเย็นลงกว่าที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน
“มันจะคล้ายคลึงกันถ้าคุณต่ออุปกรณ์ระบายความร้อนขนาดใหญ่เข้ากับพีซีของคุณที่ใช้พลังงานหลายกิโลวัตต์ คุณแทบจะไม่เห็นการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นเมื่อใช้กับระบบที่ใหญ่ขึ้น เนื่องจากพลังงานถูกครอบงำโดยโครงสร้างพื้นฐานการระบายความร้อนขนาดใหญ่” Matthiasกล่าว Troyer , ฟิสิกส์คำนวณที่ ETH ซูริค
ความสามารถในการขยายขีดความสามารถในการประมวลผลของเครื่อง D-Wave โดยไม่เพิ่มการใช้พลังงานอาจฟังดูมีแนวโน้มดี แต่จริงๆ แล้ว มันไม่ได้พูดถึงประสิทธิภาพการใช้พลังงานของการคำนวณควอนตัมมากนักเมื่อเทียบกับการคำนวณแบบคลาสสิก เครื่อง D-Wave ในปัจจุบันทำงานได้ดีพอ ๆ กับพีซีระดับไฮเอนด์ในงานเฉพาะบางอย่าง แต่ใช้พลังงานมากกว่ามากตามความต้องการในการระบายความร้อนที่รุนแรง (แกนประมวลผลระดับไฮเอนด์ต้องการพลังงานเพียงสิบวัตต์)
“ในขณะที่ ‘ ความต้องการพลังงานที่แบนราบ’ เป็นคำกล่าวที่ดีสำหรับการตลาด แต่ก็ยังไม่ชัดเจนในขณะนี้ว่าความต้องการพลังงานที่แท้จริงเป็นอย่างไรเมื่ออุปกรณ์ได้รับการปรับให้เหมาะสมและปรับขนาดขึ้นแล้ว” Troyer กล่าว “ตอนนี้พวกเขาต้องการอำนาจสั่งการที่ใหญ่กว่าเทคโนโลยีคลาสสิกที่แข่งขันกัน”
อย่างไรก็ตาม มันไม่ใช่การเปรียบเทียบที่ยุติธรรมอย่างแน่นอน Troyer กล่าว “ในด้านพลังงาน พวกเขากำลังแพ้” เขากล่าว แต่เครื่อง D-Wave “ไม่ได้ถูกออกแบบมาให้ประหยัดพลังงาน มันอาจจะชำระอีกครั้งในบางจุด”
Scott Aaronson นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์เชิงทฤษฎีที่ MIT และนักวิจารณ์ D-Wave ดูเหมือนจะสับสนกับแนวคิดที่ว่า D-Wave มีความได้เปรียบด้านพลังงานทุกประเภท อ้างถึงการพึ่งพา D-Wave ในเครื่องทำความเย็นแบบแช่แข็งที่เขาเขียนไว้ในอีเมล: “เป็นเรื่องน่าขบขันที่ chutzpah ประสบปัญหาขนาดมหึมาและนำเสนอเป็นคุณลักษณะ” เขาชี้ให้เห็นว่า D-Wave อาจต้องการระบบระบายความร้อนที่กินไฟมากกว่าเดิม เพื่อสร้างอุณหภูมิที่ต่ำกว่า ซึ่งช่วยเพิ่มโอกาสที่โปรเซสเซอร์ควอนตัมจะได้เปรียบ “การเร่งความเร็ว” เหนือการประมวลผลแบบคลาสสิกในอนาคต
เครื่องอบอ่อนควอนตัมของ D-Wave แสดงสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ที่เป็นไปได้เพียงหนึ่งเดียวสำหรับการคำนวณควอนตัม ออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหาเฉพาะด้านของ “ปัญหาการปรับให้เหมาะสม” แทนที่จะทำหน้าที่เป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมลอจิกเกตสากล (หลังจะเป็นรุ่นซุปเปอร์รวดเร็วของวันนี้คลาสสิก“ประตูรุ่น” คอมพิวเตอร์.) ของ Google ควอนตัมเอไอแล็บมีการลงทุนในเครื่องจักรทั้ง D-คลื่นและในการสำรวจพัฒนาสากลคอมพิวเตอร์ควอนตัมตรรกะประตู
ในท้ายที่สุด Troyer คาดว่าความต้องการด้านพลังงานสำหรับการคำนวณควอนตัมน่าจะเป็น “สัดส่วนเชิงเส้น” กับจำนวน qubits และข้อต่อของพวกมัน เช่นเดียวกับสัดส่วนกับจำนวนครั้งที่ตัวดำเนินการต้องเรียกใช้และทำให้ระบบเย็นลงก่อนที่จะพบวิธีแก้ปัญหา
ข้อได้เปรียบที่สำคัญของการคำนวณควอนตัมอาจไม่ปรากฏจนกว่าวิศวกรจะสร้างเครื่องจักรที่มีคิวบิตเป็นจำนวนหลายพันหรืออาจเป็นล้าน นั่นยังคงเป็นทางออกสำหรับ D-Wave ซึ่งเลือกที่จะเพิ่มจำนวน qubits ในโปรเซสเซอร์อย่างรวดเร็ว นักวิจัยคอมพิวเตอร์ควอนตัมส่วนใหญ่เลือกใช้วิธีการที่ช้ากว่ามากในการสร้างอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีหลาย qubits หรือ qubits หลายสิบตัว เนื่องจากความท้าทายหลักในการแก้ไขข้อผิดพลาดของ qubit และรักษาความสอดคล้องกันทั่วทั้งระบบ
ถึงกระนั้นทั้ง D-Wave และห้องปฏิบัติการคอมพิวเตอร์ควอนตัมอิสระต่างก็มีเป้าหมายเดียวกันในการสร้างเครื่องจักรที่สามารถใช้ประโยชน์จาก “ฟิสิกส์ที่น่ากลัว” ของฟิสิกส์ควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำการคำนวณได้หลายอย่างในเวลาเดียวกันมากกว่าเครื่องจักรแบบคลาสสิก หากคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถเอาชนะคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกในแง่ของ “เวลาในการแก้ปัญหา” คอมพิวเตอร์เหล่านี้ก็สามารถพิสูจน์ได้ว่าประหยัดพลังงานมากขึ้นเมื่อสิ้นสุดวัน
“ถ้าอุปกรณ์ควอนตัมสามารถแก้ปัญหาด้วยการปรับขนาด [time to solution] ได้ดีกว่าการคำนวณแบบคลาสสิกก็จะชนะด้วยพลังงาน” Troyer กล่าว
โครงการแรกของแล็บ Macchina Zero ดำเนินไปด้วยดีตามที่คาดไว้ แต่การตัดสินใจของ Tchou ในปี 2500 ในการเปลี่ยนไปใช้ทรานซิสเตอร์มีความเสี่ยงและความล่าช้าที่อาจเกิดขึ้น บริษัทจะต้องมีทรานซิสเตอร์และไดโอดอย่างน้อย 100,000 ตัวสำหรับการติดตั้งแต่ละครั้ง แต่ในอิตาลีเช่นเดียวกับที่อื่นๆ ทรานซิสเตอร์ขาดตลาด แทนที่จะนำเข้าอุปกรณ์จากสหรัฐอเมริกาหรือที่อื่นๆ บริษัทตัดสินใจผลิตอุปกรณ์ภายในบริษัท การย้ายครั้งนี้จะทำให้ Olivetti เป็นแหล่งส่วนประกอบที่ปลอดภัยและต่อเนื่องตลอดจนความเชี่ยวชาญและข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการพัฒนาล่าสุดในสาขานี้
ในปี 1957 Olivetti ซึ่งเป็นบริษัทโทรคมนาคมของอิตาลีร่วมกับ Telettra ได้ก่อตั้งบริษัท SGS (ซึ่งย่อมาจาก Società Generale Semicondottori) ในไม่ช้า SGS ก็เริ่มผลิตทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมอัลลอยด์ทางแยก โดยใช้เทคโนโลยีที่ได้รับอนุญาตจากเจเนอรัลอิเล็กทริก
รุ่นต่อไปของ บริษัท ฯ ของทรานซิสเตอร์แม้ว่าจะเป็นซิลิกอนที่ผลิตในความร่วมมือกับ Fairchild Semiconductor เริ่มต้นแคลิฟอร์เนียได้ก่อตั้งขึ้นในปีเดียวกับเอสจีเอโดยกลุ่มของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรหนุ่มที่รวมโรเบิร์ต Noyceและกอร์ดอนมัวร์ ปลายปี 2502 SGS ติดต่อกับ Fairchild ผ่านห้องทดลอง Canaan ใหม่ของ Olivetti และในปีต่อมา Fairchild ก็กลายเป็นหุ้นส่วนที่เท่าเทียมกันใน SGS กับ Olivetti และ Telettra ตอนนี้ Olivetti สามารถเข้าถึงเทคโนโลยีที่ก้าวล้ำของ Fairchild ได้แล้ว ซึ่งรวมถึงกระบวนการระนาบซึ่ง Fairchild ได้จดสิทธิบัตรในปี 2502 และยังคงใช้ทำวงจรรวม
ผลลัพธ์ของการผลักดันคอมพิวเตอร์ทรานซิสเตอร์ของ Tchou คือ ELEA 9003 ซึ่งเป็นคอมพิวเตอร์เชิงพาณิชย์เครื่องแรกที่ผลิตในอิตาลี มันเปิดตัวในปี 2502 และระหว่างปี 2503 ถึง 2507 เมนเฟรมประมาณ 40 ตัวถูกขายหรือให้เช่าให้กับลูกค้าชาวอิตาลีซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในการธนาคารและอุตสาหกรรม
ELEA เป็นของสิ่งที่นักประวัติศาสตร์คอมพิวเตอร์พิจารณาว่าเป็นคอมพิวเตอร์รุ่นที่สอง นั่นคือเครื่องจักรที่ใช้ทรานซิสเตอร์และหน่วยความจำแกนเฟอร์ไรท์ ในแง่นี้ ELEA 9003 นั้นคล้ายกับ IBM 7070 และ Siemens 2002 ความทรงจำหลักคืออาร์เรย์ของวงแหวนแม่เหล็กขนาดเล็กที่ร้อยเกลียวด้วยลวดทองแดง แต่ละแกนสามารถถูกแม่เหล็กตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกาเพื่อแสดงข้อมูลเพียงบิตเดียว— 1 หรือ 0 คนงานของ Olivetti เย็บความทรงจำ ELEA ด้วยมือที่โรงงาน Borgolombardo ใกล้เมืองมิลานที่ซึ่ง ELEA ถูกประกอบเข้าด้วยกัน
หน่วยหน่วยความจำขั้นต่ำใน ELEA 9003 คืออักขระ ซึ่งประกอบด้วยบิตหกบิตบวกบิตพาริตี หน่วยความจำทั้งหมดมีตั้งแต่ 20,000 ถึง 160,000 อักขระ โดยการติดตั้งทั่วไปมีประมาณ 40,000 ตัว วิศวกรของ Olivetti สองคนคือ Giorgio Sacerdoti และ Martin Friedman เคยทำงานกับคอมพิวเตอร์ของ Ferranti พื้นหลังของพวกเขาอาจมีอิทธิพลต่อการตัดสินใจออกแบบบางอย่างสำหรับ 9003 โดยเฉพาะสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ อย่างไรก็ตาม Ferranti Mark I* ที่ Sacerdoti ทำงานในกรุงโรมใช้หลอด Williams-Kilburn และหลอดสุญญากาศแทนหน่วยความจำหลักและทรานซิสเตอร์
เพื่อดูแลการออกแบบที่สวยงามของคอมพิวเตอร์เครื่องใหม่ Adriano ได้นำสถาปนิกชาวอิตาลีชื่อ Ettore Sottsass Jr. ซึ่งได้รับความช่วยเหลือจากนักออกแบบชาวดัตช์Andries Van Onck Sottsass มุ่งเน้นไปที่ส่วนต่อประสานระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักรโดยใช้ปัจจัยของมนุษย์และการยศาสตร์เพื่อทำให้คอมพิวเตอร์ใช้งานง่ายขึ้นและ บำรุงรักษา. ตัวอย่างเช่น เขากำหนดความสูงของชั้นวางไว้ที่ 150 เซนติเมตร เพื่อให้วิศวกรและช่างเทคนิคที่ทำงานด้านใดด้านหนึ่งสามารถสื่อสารกันด้วยสายตาได้ เนื่องจากคอมพิวเตอร์มีเสียงดังมากในสมัยนั้น
ELEA 9003 ติดตั้งอยู่ในชุดตู้โมดูลาร์ แถบสีระบุเนื้อหาของแต่ละตู้ เช่น แหล่งจ่ายไฟ หน่วยความจำ หน่วยลอจิกเลขคณิต และชุดควบคุมสำหรับอุปกรณ์ต่อพ่วง ซึ่งรวมถึงเครื่องพิมพ์และเทปแม่เหล็กของแอมเพ็กซ์ การติดตั้ง ELEA 9003 บางแห่งใช้หลอดสุญญากาศสำหรับแหล่งจ่ายไฟและแท่นเทป
เพื่ออำนวยความสะดวกในการทดสอบและซ่อมแซมแผงวงจร Sottsass ได้จัดชั้นวางแต่ละชั้นในสามส่วน: ส่วนตรงกลางและสองปีก ซึ่งสามารถเปิดได้เหมือนหนังสือ เขายังจัดสายเคเบิลเชื่อมต่อในช่องด้านบนชั้นวาง เมนเฟรมทั่วไปของยุคนั้นวางสายเคเบิลไว้ใต้พื้น ทำให้การบำรุงรักษายุ่งยากและมีราคาแพง
จอแสดงผลของคอนโซลใช้ตารางลูกบาศก์สี คล้ายกับกระเบื้องโมเสค แต่ละลูกบาศก์ถูกสลักด้วยตัวอักษรหรือสัญลักษณ์ ส่วนต่างๆ ของจอแสดงผลแสดงสถานะของส่วนประกอบของ 9003 ผู้ปฏิบัติงานสามารถใช้แป้นพิมพ์ของคอนโซลเพื่อป้อนคำสั่งทีละครั้งเพื่อดำเนินการโดยตรง
การออกแบบของ Sottsass สำหรับ Olivetti ELEA 9003 นั้นซับซ้อนแต่สง่างาม ได้รับรางวัลการออกแบบอุตสาหกรรม Compasso d’Oro (Golden Compass) อันทรงเกียรติในปี 2502
Olivetti ตั้งเป้าที่จะส่งออก ELEA ไปยังตลาดต่างประเทศ แทนที่จะแปลคำสั่งและตัวย่อของคอมพิวเตอร์จากภาษาอิตาลีเป็นภาษาอังกฤษ ฝรั่งเศส หรือเยอรมัน บริษัทได้คิดค้นวิธีแก้ปัญหาที่ชัดเจน ได้มอบหมายให้Ulm School of Designซึ่งเป็นหนึ่งในศูนย์การออกแบบที่ก้าวหน้าที่สุดในขณะนั้น เพื่อพัฒนาระบบสัญลักษณ์ที่จะเป็นอิสระจากภาษาใดภาษาหนึ่ง แม้ว่าระบบสัญญาณที่เป็นผลลัพธ์จะไม่เคยใช้ในซีรีส์ ELEA แต่ก็กำหนดล่วงหน้าการใช้ไอคอนอย่างแพร่หลายในปัจจุบันในส่วนต่อประสานคอมพิวเตอร์
แผนการใหญ่ของ Olivetti ในการส่งออกคอมพิวเตอร์นั้นรวมถึงการเข้าซื้อกิจการของ Underwood ผู้ผลิตเครื่องพิมพ์ดีดในสหรัฐฯ ในปี 1959 ด้วยการย้ายครั้งนี้ Olivetti หวังว่าจะใช้ประโยชน์จากเครือข่ายเชิงพาณิชย์อันทรงพลังของ Underwood เพื่อเพิ่มยอดขายในสหรัฐอเมริกา อย่างไรก็ตาม การเข้าซื้อกิจการได้ทำให้เงินกองทุนของบริษัทหมดลง ที่แย่กว่านั้น Olivetti ค้นพบว่าโรงงานผลิตของ Underwood นั้นล้าสมัยและสถานการณ์ทางการเงินก็ย่ำแย่