IBM Edges ใกล้ชิดกับ Quantum Supremacy ด้วยโปรเซสเซอร์ 50-Qubit
“เราประสบความสำเร็จในการสร้างตัวประมวลผลควอนตัม 20 บิตและ 50 บิตที่ใช้งานได้” Dario Gil รองประธานฝ่ายวิทยาศาสตร์และโซลูชั่นของ IBM กล่าวกับวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ที่ฟอรัมอุตสาหกรรมของ IEEE Rebooting Computingเมื่อวันศุกร์ที่ผ่านมา การพัฒนาทั้งการเพิ่มขนาดของทรัพยากรคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีจำหน่ายในท้องตลาดและนำวิทยาการคอมพิวเตอร์มาใกล้ถึงจุดที่อาจพิสูจน์ได้อย่างชัดเจนว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำสิ่งที่คอมพิวเตอร์คลาสสิกไม่สามารถทำได้หรือไม่
“โดยพื้นฐานแล้วเป็นเวลาหลายสิบปีในการสร้าง และเราภูมิใจอย่างยิ่งกับความสำเร็จนี้” กิลกล่าว
qubits ที่เชื่อมต่อถึงกันมากขึ้นแปลเป็นพลังการประมวลผลที่มากขึ้นแบบทวีคูณ อุตสาหกรรมจึงแข่งขันกันเพื่อเพิ่มจำนวน qubits ในโปรเซสเซอร์ทดลองของพวกเขา เครื่อง 20 บิตซึ่งทำจาก qubits ตัวนำยิ่งยวดที่ปรับปรุงแล้วซึ่งทำงานที่อุณหภูมิ 15 มิลลิเคลวินจะพร้อมใช้งานสำหรับลูกค้า IBM ผ่านโปรแกรมIBM Qของ บริษัทภายในสิ้นปี 2560 บริษัท ได้เปิดตัวเครื่อง 5 บิตใน ปี 2559 และเครื่องจักรขนาด 16 คิวบิตเมื่อต้นปีนี้
อุปกรณ์ขนาด 50 คิวบิตยังคงเป็นเครื่องต้นแบบ และ Gil ไม่ได้ให้รายละเอียดใดๆ เกี่ยวกับเวลาที่จะวางจำหน่าย
qubits ในโปรเซสเซอร์ใหม่มีความเสถียรมากกว่าในรุ่นก่อนหน้า ความเสถียรถูกวัดใน “เวลาที่เชื่อมโยงกัน” ความยาวเฉลี่ยที่ qubit จะอยู่ในสถานะควอนตัมของการซ้อนทับก่อนที่อิทธิพลของสิ่งแวดล้อมจะทำให้ยุบเป็น 1 หรือ 0 ยิ่งเวลาที่เชื่อมโยงกันนานขึ้น โปรเซสเซอร์ก็ยิ่งต้องคำนวณให้เสร็จนานขึ้น . ควอนตัมบิตในเครื่อง 5- และ 16-qubit ของ IBM มีค่าเฉลี่ย 50 และ 47 ไมโครวินาทีตามลำดับ Gil กล่าว เครื่อง 20 และ 50 บิตใหม่มีความเร็ว 90 ไมโครวินาที
นอกเหนือจากต้องการบรรลุการคำนวณควอนตัมที่ใช้งานได้จริงแล้ว ยักษ์ใหญ่ในอุตสาหกรรมโดยเฉพาะอย่างยิ่ง Google ยังหวังว่าจะได้รับ qubits จำนวนหนึ่ง ซึ่งจะทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถพิสูจน์ได้อย่างชัดเจนว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถแก้ปัญหาที่ยากสำหรับเครื่องคลาสสิกใดๆ เมื่อต้นปีนี้ Google ได้เปิดเผยแผนการที่จะวางโปรเซสเซอร์ขนาด 49 บิตภายในสิ้นปี 2560 ซึ่งจะทำงานได้ แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ของ IBM แสดงให้เห็นว่าต้องใช้เวลามากกว่านั้นเล็กน้อยกว่าจะถึงช่วงเวลา “อำนาจสูงสุดของควอนตัม” พวกเขาจำลองระบบ 56 บิตโดยใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์Vulcanที่ Lawrence Livermore National Lab; การทดลองของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะต้องมีอย่างน้อย 57-qubits
“มีการพูดคุยกันมากมายเกี่ยวกับช่วงเวลาสูงสุด ซึ่งฉันไม่ชอบเลย” กิลบอกกับผู้ชม “มันเป็นเป้าหมายที่เคลื่อนไหว เมื่อระบบคลาสสิกดีขึ้น ความสามารถในการจำลองระบบควอนตัมก็จะดีขึ้น แต่ไม่ตลอดไป เป็นที่ชัดเจนว่าอีกไม่นานจะมีจุดเปลี่ยนเว้า อาจไม่ใช่ 56 อาจเป็น 70 แต่อีกไม่นาน เราจะถึงจุดเปลี่ยนเว้า” ระหว่าง 50 ถึง 100 qubits
(เห็นได้ชัดว่าสวีเดนเห็นพ้องต้องกัน วันนี้ได้ประกาศโครงการมูลค่า 1 พันล้านโครนสวีเดนโดยมีเป้าหมายในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีคิวบิตที่มีตัวนำยิ่งยวดอย่างน้อย 100ตัว “คอมพิวเตอร์ดังกล่าวมีพลังในการประมวลผลมากกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ดีที่สุดในทุกวันนี้” Per Delsing ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์อุปกรณ์ควอนตัมที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chalmers และผู้อำนวยการโครงการริเริ่มกล่าวในการแถลงข่าว)
Gil เชื่อว่าการคำนวณควอนตัมได้เปลี่ยนไปในช่วงสองปีที่ผ่านมา ก่อนหน้านั้น เราอยู่ในยุคที่เขาเรียกว่าวิทยาศาสตร์ควอนตัม ซึ่งส่วนใหญ่เน้นไปที่การทำความเข้าใจว่าระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมและส่วนประกอบทำงานอย่างไร แต่เขากล่าวว่า ปี 2559 ถึงปี 2564 จะเป็นยุคของ “ความพร้อมของควอนตัม” ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่โฟกัสเปลี่ยนไปเป็นเทคโนโลยีที่จะช่วยให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถให้ข้อได้เปรียบที่แท้จริงได้อย่างแท้จริง
“เราจะมองย้อนกลับไปในประวัติศาสตร์และบอกว่า [ช่วงเวลาห้าปีนี้] คือเวลาที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมกลายเป็นเทคโนโลยี” เขากล่าวกับผู้ชม
การโจมตีของ Nanoblob!
นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่มหาวิทยาลัยเดอแรมในอังกฤษได้สอนฟิล์มบางของวัสดุนาโนเพื่อแก้ปัญหาการจำแนกประเภท เช่น การตรวจหารอยโรคที่เป็นมะเร็งในการตรวจด้วยแมมโมแกรม โดยใช้อัลกอริธึมวิวัฒนาการและแผงวงจรแบบกำหนดเอง พวกเขาส่งพัลส์แรงดันไฟฟ้าผ่านอาร์เรย์ของอิเล็กโทรดไปเป็นส่วนผสมของคาร์บอนนาโนทิวบ์เจือจางที่กระจายตัวอยู่ในผลึกเหลว เมื่อเวลาผ่านไป ท่อนาโนคาร์บอน ซึ่งเป็นส่วนผสมของตัวนำและสารกึ่งตัวนำ ได้จัดเรียงตัวเป็นเครือข่ายที่ซับซ้อนซึ่งครอบคลุมอิเล็กโทรด
เครือข่ายนี้สามารถดำเนินการส่วนสำคัญของปัญหาการปรับให้เหมาะสม ยิ่งไปกว่านั้น Blob สามารถเรียนรู้ที่จะแก้ปัญหาที่สองได้ ตราบใดที่ปัญหานั้นซับซ้อนน้อยกว่าปัญหาแรก
แก้ปัญหาเหล่านี้ได้ดีหรือไม่? ในกรณีหนึ่ง ผลที่ได้เปรียบได้กับผลของมนุษย์ ในอีกทางหนึ่งพวกเขาแย่กว่าเล็กน้อย ยังคงใช้งานได้ดี Eléonore Vissol-Gaudinผู้ช่วยพัฒนาระบบที่ Durham กล่าวว่า “สิ่งที่คุณต้องจำไว้คือเรากำลังฝึกหยดคาร์บอนนาโนทิวบ์ในผลึกเหลว
แผงวงจรซิลิกอน
นักออกแบบคอมพิวเตอร์คร่ำครวญมานานแล้วว่าข้อมูลไม่ตรงกันระหว่างความเร็วในการย้ายข้อมูลภายในตัวประมวลผลได้เร็วและมีประสิทธิภาพเพียงใด และการย้ายข้อมูลระหว่างกันนั้นช้าและสิ้นเปลืองมากเพียงใด ปัญหาดังกล่าววิศวกรจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแองเจลิสกล่าวว่า ปัญหาอยู่ที่ลักษณะของแพ็คเกจชิปและแผงวงจรพิมพ์ที่พวกเขาเชื่อมต่อด้วย ทั้งแพ็คเกจชิปและแผงวงจรเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี ดังนั้นมันจึงจำกัดพลังงานที่คุณสามารถจ่ายได้ พวกเขาเพิ่มพลังงานที่จำเป็นในการเคลื่อนย้ายเล็กน้อยจากชิปตัวหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่ง และทำให้คอมพิวเตอร์ช้าลงโดยเพิ่มเวลาแฝง เพื่อให้แน่ใจว่า อุตสาหกรรมได้ตระหนักถึงข้อเสียเหล่านี้มากมาย และมุ่งเน้นที่การรวมชิปหลายตัวเข้าด้วยกันในแพ็คเกจเดียวกันมากขึ้น
Puneet Gupta และผู้ทำงานร่วมกัน UCLA ของเขาคิดว่าคอมพิวเตอร์จะดีกว่ามากถ้าเรากำจัดทั้งแพ็คเกจและแผงวงจร พวกเขาเสนอให้เปลี่ยนแผงวงจรพิมพ์ด้วยซิลิคอนเวเฟอร์ส่วนหนึ่ง บน ” ผ้าที่รวมซิลิกอน ” ดังกล่าวชิปซิลิกอนเปล่าที่ไม่ได้บรรจุหีบห่อสามารถแนบชิดกันได้ภายใน 100 ไมโครเมตร เชื่อมต่อกันด้วยการเชื่อมต่อที่หนาแน่นและละเอียดชนิดเดียวกันที่พบในไอซี ซึ่งจำกัดเวลาแฝงและการใช้พลังงาน และทำให้ระบบมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น
หากอุตสาหกรรมไปในทิศทางนี้จริง ๆ ก็อาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในประเภทของไอซีที่ทำขึ้น Gupta โต้แย้ง ผ้าที่รวมซิลิกอนจะช่วยแบ่งระบบบนชิปออกเป็น “ชิปเล็ต” ขนาดเล็กที่ทำหน้าที่ของแกนต่างๆ ของ SoC นั่นเป็นเพราะการผนวกรวมอย่างใกล้ชิดของ SoC จะไม่ให้ประโยชน์มากนักในแง่ของเวลาแฝงและประสิทธิภาพอีกต่อไป และการผลิตชิปที่มีขนาดเล็กลงจะมีราคาถูกกว่า ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากซิลิกอนดีกว่าแผงวงจรพิมพ์ในด้านการนำความร้อน คุณจึงสามารถเรียกใช้คอร์โปรเซสเซอร์เหล่านั้นด้วยความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นโดยไม่ต้องกังวลเรื่องความร้อน
ความจำเป็นในการทำให้ระบบฮาร์ดแวร์บางระบบมีขนาดเล็กลงและบางลง และอื่นๆ ที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ เป็นการขับเคลื่อนนวัตกรรมในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มาเป็นเวลานาน อดีตสามารถเห็นได้ในความก้าวหน้าตั้งแต่แล็ปท็อปไปจนถึงสมาร์ทโฟนไปจนถึงนาฬิกาอัจฉริยะไปจนถึงหูฟังและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ “มองไม่เห็น” อื่น ๆ หลังกำหนดศูนย์ข้อมูลเชิงพาณิชย์ในปัจจุบัน—มอนสเตอร์ที่กินเมกะวัตต์ที่เติมโกดังที่สร้างขึ้นตามวัตถุประสงค์ทั่วโลก ที่น่าสนใจคือเทคโนโลยีเดียวกันกำลังจำกัดความก้าวหน้าในทั้งสองด้าน แม้ว่าจะด้วยเหตุผลที่แตกต่างกันก็ตาม
ผู้ร้ายที่เราโต้แย้งคือแผงวงจรพิมพ์ และวิธีแก้ไขคือกำจัดมันทิ้งไป
การวิจัยของเราแสดงให้เห็นว่าแผงวงจรพิมพ์สามารถถูกแทนที่ด้วยวัสดุชนิดเดียวกันกับที่ประกอบเป็นชิปที่ติดอยู่กับมัน นั่นคือซิลิกอน การย้ายดังกล่าวจะนำไปสู่ระบบที่เล็กกว่าและน้ำหนักเบากว่าสำหรับอุปกรณ์สวมใส่และอุปกรณ์ที่มีข้อจำกัดด้านขนาดอื่นๆ และยังนำไปสู่คอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงอย่างเหลือเชื่อ ซึ่งจะบรรจุความสามารถในการคำนวณของเซิร์ฟเวอร์หลายสิบเครื่องไว้บนเวเฟอร์ขนาดจานอาหารค่ำ ซิลิคอน
เทคโนโลยีซิลิกอนทั้งหมดซึ่งเราเรียกว่าผ้าเชื่อมต่อระหว่างซิลิโคนช่วยให้ชิปเปล่าเชื่อมต่อโดยตรงกับสายไฟบนชิ้นส่วนของซิลิกอนที่แยกจากกัน การเดินสายไฟระหว่างชิปบนผ้าของเรานั้นต่างจากการเชื่อมต่อบนแผงวงจรพิมพ์เพียงเล็กน้อยพอๆ กับการเดินสายไฟภายในชิป การเชื่อมต่อแบบชิปต่อชิปสามารถทำได้มากขึ้น และการเชื่อมต่อเหล่านั้นสามารถส่งข้อมูลได้เร็วขึ้นในขณะที่ใช้พลังงานน้อยลง
ผ้าเชื่อมต่อซิลิคอนหรือ Si-IF ให้โบนัสเพิ่มเติม เป็นเส้นทางที่ยอดเยี่ยมในการละลายของระบบบนชิป f (ค่อนข้าง) ใหญ่ ซับซ้อน และยากต่อการผลิต ซึ่งปัจจุบันใช้งานได้ทุกอย่างตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงซูเปอร์คอมพิวเตอร์ แทนที่ SoC นักออกแบบระบบสามารถใช้กลุ่มชิปเล็ตขนาดเล็ก ออกแบบง่ายกว่า และผลิตง่ายกว่า ซึ่งเชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนาบน Si-IF นี้การปฏิวัติ chiplet อยู่แล้ววิธีที่ดีกว่าด้วยAMD , Intel , Nvidia , และอื่น ๆ ที่นำเสนอchiplets ภายในประกอบของแพคเกจที่ทันสมัย แฟบริกที่เชื่อมต่อด้วยซิลิโคนขยายวิสัยทัศน์นั้น ทำลายระบบออกจากแพ็คเกจเพื่อรวมคอมพิวเตอร์ทั้งหมด
เพื่อให้เข้าใจถึงคุณค่าของการกำจัดแผงวงจรพิมพ์ ให้พิจารณาว่าเกิดอะไรขึ้นกับ SoC ทั่วไป ต้องขอบคุณกฎของมัวร์ ชิ้นส่วนของซิลิกอนขนาด 1 ตารางเซนติเมตรสามารถบรรจุทุกอย่างที่จำเป็นสำหรับการขับเคลื่อนสมาร์ทโฟนได้ น่าเสียดาย ด้วยเหตุผลหลายประการที่ส่วนใหญ่เริ่มต้นและสิ้นสุดด้วยแผงวงจรพิมพ์ เศษซิลิคอนชิ้นนี้จึงถูกใส่ไว้ในบรรจุภัณฑ์พลาสติก (โดยปกติ) ซึ่งอาจมีขนาดใหญ่เป็น 20 เท่าของชิปเอง
ความแตกต่างของขนาดระหว่างชิปและแพ็คเกจสร้างปัญหาอย่างน้อยสองประการ ประการแรก ปริมาตรและน้ำหนักของชิปที่บรรจุหีบห่อนั้นมากกว่าของชิ้นซิลิคอนดั้งเดิมมาก แน่นอนว่านั่นคือปัญหาของทุกสิ่งที่ต้องมีขนาดเล็ก บาง และเบา ประการที่สอง หากฮาร์ดแวร์ขั้นสุดท้ายต้องการชิปหลายตัวที่สื่อสารกัน (และระบบส่วนใหญ่ทำ) ระยะทางที่สัญญาณจำเป็นต้องเดินทางจะเพิ่มขึ้นมากกว่า 10 เท่า ระยะทางนั้นเป็นคอขวดของความเร็วและพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้า ชิปแลกเปลี่ยนข้อมูลจำนวนมาก choke point นี้อาจเป็นปัญหาที่ใหญ่ที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันที่เน้นข้อมูล เช่น กราฟิก แมชชีนเลิร์นนิง และการค้นหา ที่แย่ไปกว่านั้นคือ ชิปที่บรรจุหีบห่อแล้วทำให้เย็นได้ยาก อันที่จริง การกำจัดความร้อนเป็นปัจจัยจำกัดในระบบคอมพิวเตอร์มานานหลายทศวรรษ
หากแพ็คเกจเหล่านี้เป็นปัญหา ทำไมไม่ลบออกล่ะ เนื่องจากแผงวงจรพิมพ์
แน่นอนว่าจุดประสงค์ของแผงวงจรพิมพ์คือเพื่อเชื่อมต่อชิป ส่วนประกอบแบบพาสซีฟ และอุปกรณ์อื่นๆ เข้ากับระบบการทำงาน แต่มันไม่ใช่เทคโนโลยีในอุดมคติ PCB นั้นยากที่จะทำให้แบนอย่างสมบูรณ์และมีแนวโน้มที่จะบิดเบี้ยว แพ็คเกจชิปมักจะเชื่อมต่อกับ PCB ผ่านชุดประสานกันกระแทก ซึ่งหลอมละลายและแข็งตัวอีกครั้งในระหว่างกระบวนการผลิต ข้อจำกัดของเทคโนโลยีการบัดกรีรวมกับการบิดงอของพื้นผิวหมายความว่าการกระแทกของบัดกรีเหล่านี้ต้องห่างกันไม่น้อยกว่า 0.5 มิลลิเมตร กล่าวอีกนัยหนึ่ง คุณสามารถแพ็คการเชื่อมต่อได้ไม่เกิน 400 ต่อตารางเซนติเมตรของพื้นที่ชิป สำหรับแอปพลิเคชั่นจำนวนมาก การเชื่อมต่อนั้นน้อยเกินไปที่จะส่งพลังงานไปยังชิปและรับสัญญาณเข้าและออก ตัวอย่างเช่น พื้นที่ขนาดเล็กที่ครอบครองโดยหนึ่งในไดย์ของโปรเซสเซอร์ Intel Atom มีพื้นที่เพียงพอสำหรับการเชื่อมต่อร้อย 0.5 มม. หนึ่งร้อยเท่านั้น ขาดสิ่งที่ต้องการ 300 นักออกแบบใช้แพ็คเกจชิปเพื่อทำให้การคำนวณทางคณิตศาสตร์ต่อหน่วยพื้นที่ทำงาน แพ็คเกจใช้การเชื่อมต่ออินพุต/เอาท์พุตขนาดเล็กบนชิปซิลิกอน ซึ่งมีความกว้างตั้งแต่ 1 ถึง 50 ไมโครเมตร และพัดให้มีขนาด 500 µm ของ PCB
เมื่อเร็ว ๆ นี้ อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ได้พยายามจำกัดปัญหาของแผงวงจรพิมพ์โดยการพัฒนาบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง เช่น เทคโนโลยีซิลิคอนอินเตอร์โพเซอร์ interposer เป็นชั้นบาง ๆ ของซิลิกอนซึ่งมีชิปซิลิคอนเปล่าจำนวนเล็กน้อยติดตั้งอยู่และเชื่อมโยงถึงกันด้วยจำนวนการเชื่อมต่อที่มากกว่าที่จะทำได้ระหว่างชิปที่บรรจุไว้สองชิ้น แต่ตัวคั่นและชิปของมันยังคงต้องบรรจุและติดตั้งบน PCB ดังนั้นการจัดเรียงนี้จึงเพิ่มความซับซ้อนโดยไม่ต้องแก้ปัญหาอื่นๆ ยิ่งไปกว่านั้น interposers จำเป็นต้องบาง เปราะบาง และมีขนาดจำกัด ซึ่งหมายความว่าเป็นการยากที่จะสร้างระบบขนาดใหญ่บนพวกมัน
เราเชื่อว่าทางออกที่ดีกว่าคือการกำจัดบรรจุภัณฑ์และ PCB ทั้งหมด และแทนที่ชิปบนเวเฟอร์ซิลิคอนที่ค่อนข้างหนา (500-µm ถึง 1 มม.) โปรเซสเซอร์, เมมโมรี่ไดย์, ชิปเพลตอนาล็อกและ RF, โมดูลควบคุมแรงดันไฟฟ้า และแม้แต่ส่วนประกอบแบบพาสซีฟ เช่น ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ สามารถต่อเข้ากับซิลิกอนได้โดยตรง เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ PCB ทั่วไป—ไฟเบอร์กลาสและคอมโพสิตอีพ็อกซี่ที่เรียกว่า FR-4— แผ่นเวเฟอร์ซิลิกอนมีความแข็งและสามารถขัดให้เรียบได้เกือบสมบูรณ์แบบ ดังนั้นการบิดเบี้ยวจึงไม่ใช่ปัญหาอีกต่อไป ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากชิปและซับสเตรตซิลิกอนขยายตัวและหดตัวในอัตราเดียวกับความร้อนและความเย็น คุณจึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเชื่อมขนาดใหญ่และยืดหยุ่นอีกต่อไป เช่น การกระแทกแบบบัดกรีระหว่างชิปกับซับสเตรต