ตัวทำซ้ำควอนตัมโฟโตนิกทั้งหมด: ก้าวสำคัญสู่อินเทอร์เน็ตควอนตัมทั่วโลก

ตัวทำซ้ำควอนตัมโฟโตนิกทั้งหมด: ก้าวสำคัญสู่อินเทอร์เน็ตควอนตัมทั่วโลก

jumbo jili

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโตรอนโต และNippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT ) ในญี่ปุ่นได้แนะนำวิธีการใหม่ในการขยายระยะทางที่เครือข่ายควอนตัมในปัจจุบันและอนาคตสามารถส่งโฟตอนที่เข้ารหัสด้วยคีย์เข้ารหัสได้ พวกเขาตีพิมพ์งานวิจัยของพวกเขาในฉบับ 15 เมษายนของการสื่อสารธรรมชาติ ข้อเสนอยังเป็นหัวข้อของแถลงการณ์เพิ่มเติมที่เผยแพร่โดย NTT ในวันเดียวกัน

สล็อต

ประเภทการเข้ารหัสที่ปลอดภัยที่สุดที่คิดค้นขึ้นในปัจจุบันคือการกระจายคีย์ควอนตัม ช่วยรักษาข้อมูลให้ปลอดภัยโดยส่งชุดโฟตอนที่พันกัน ผ่านเครือข่ายควอนตัม ไปยังเครื่องรับที่อนุญาตให้สร้างคีย์สำหรับถอดรหัสข้อความที่ส่งผ่านดาต้าลิงค์ทั่วไปโดยการตรวจจับโพลาไรซ์ของโฟตอนเหล่านี้ การรักษาความปลอดภัยขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกลของควอนตัมขั้นพื้นฐาน: การดำเนินการใดๆ ที่ดำเนินการเพื่อตรวจจับสถานะควอนตัมของโฟตอนขณะที่พวกมันไปยังเครื่องรับจะเปลี่ยนสถานะควอนตัมซึ่งผู้ใช้จะสังเกตเห็น
ข้อเสียเปรียบที่สำคัญของวิธีนี้คือ โฟตอนมากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์ที่เดินทางผ่านเส้นใยแก้วนำแสงนั้นไม่สามารถตรวจพบโดยเครื่องรับ หากมันอยู่ห่างจากจุดกำเนิดโฟตอนที่พันกันมากกว่า 50 กิโลเมตร ซึ่งแตกต่างจากสัญญาณดิจิตอลที่เดินทางผ่านเส้นใยแก้วนำแสง กระแสของโฟตอนที่มีข้อมูลควอนตัมไม่สามารถขยายได้ โฟตอนแต่ละตัวที่มีสถานะควอนตัมจะต้องถูกสร้างขึ้นใหม่โดยตัวทำซ้ำควอนตัม
ตัวทำซ้ำควอนตัมที่ จินตนาการถึงตอนนี้จะมีหน่วยความจำควอนตัมที่ประกอบด้วย qubits ที่เป็นอะตอม อะตอมกลุ่มหรือจุดควอนตัมที่จะเก็บสถานะควอนตัมของโฟตอนที่เข้ามาและส่งใหม่อีกครั้ง แต่พวกเขานำเสนอปัญหาสองสามข้อ ตัวทำซ้ำเหล่านี้ในความเป็นจริงแล้วจะเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมซึ่งต้องการการระบายความร้อน นอกจากนี้ การประมวลผลโฟตอนจะทำให้การไหลของการสื่อสารช้าลง ซึ่งเป็นอุปสรรคสำหรับQuantum Internet ในอนาคตอย่างแน่นอน และเหนือสิ่งอื่นใด นักวิจัยคาดหวังว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะพร้อมใช้งานเร็วกว่าเครื่องทำซ้ำควอนตัมเรื่องที่ซับซ้อนมากขึ้น
แต่ตอนนี้นักวิจัยของ NTT-Toronto ได้แสดงให้เห็นว่าการส่งข้อมูลสถานะควอนตัมในระยะไกลไม่จำเป็นต้องใช้ตัวทำซ้ำควอนตัมเลย พวกเขาได้ค้นพบทางเลือกอื่น: ออปติคัลรีพีทเตอร์ควอนตัม ซึ่งช่วยให้พวกเขาพิสูจน์ได้ว่าโฟตอนไม่จำเป็นต้องโต้ตอบกับความทรงจำของสสารควอนตัมเลย ตัวทำซ้ำแบบออปติคัลยังช่วยเปลี่ยนความเชื่อที่มีมายาวนานอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการส่งข้อมูลควอนตัม ตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบโฟโตนิกของรีพีตเตอร์ควอนตัมออปติคัล เช่น องค์ประกอบออปติคัลเชิงเส้น (เช่น ตัวแยกลำแสง) และเครื่องตรวจจับโฟตอน ไม่ต้องการอุณหภูมิต่ำเหมือนที่ส่วนประกอบอื่น ๆ ทำ ยิ่งไปกว่านั้น นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าส่วนประกอบเหล่านี้ได้รับการทดสอบและมีจำหน่ายในท้องตลาดแล้ว
เนื่องจากทวนสัญญาณที่ใช้งานได้จริงจะไม่เป็นอุปสรรค วิศวกรจึงคาดหวังว่าจะสามารถขยายเครือข่ายควอนตัมในระยะทางไกลได้เร็วกว่ามาก “มีความสนใจมากมายในชุมชนเกี่ยวกับการออกแบบ Quantum Internet ที่จะมีข้อมูลที่สมบูรณ์และมีประสิทธิภาพมากขึ้น แรงจูงใจของเราคือการออกแบบหมายถึงการสื่อสารอย่างปลอดภัยและเชื่อถือได้ในระยะทางไกล” ฮอยอัน-Kwong แท้จริงของมหาวิทยาลัยโตรอนโตกล่าวในการแถลงข่าว
อะไรอยู่ใน 400,000 คอร์เหล่านั้น?
ตามที่บริษัทระบุ คอร์ของ WSE นั้นเชี่ยวชาญในการทำ AI แต่ก็ยังสามารถตั้งโปรแกรมได้มากพอที่จะไม่ถูกล็อคไว้เพียงรสชาติเดียว พวกเขาเรียกว่าแกน Sparse Linear Algebra (SLA) หน่วยประมวลผลเหล่านี้เชี่ยวชาญในการ “เทนเซอร์” คีย์สำหรับการทำงานของ AI แต่ยังรวมถึงคุณลักษณะที่ช่วยลดการทำงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเครือข่ายการเรียนรู้เชิงลึก ตามที่บริษัทระบุ 50 ถึง 98 เปอร์เซ็นต์ของข้อมูลทั้งหมดในชุดฝึกอบรมการเรียนรู้เชิงลึกเป็นศูนย์ ข้อมูลที่ไม่ใช่ศูนย์จึง “เบาบาง”
แกน SLA ลดการทำงานด้วยการไม่คูณสิ่งใดด้วยศูนย์ คอร์ได้สร้างขึ้นในองค์ประกอบการไหลของข้อมูลซึ่งกระตุ้นการดำเนินการคำนวณตามข้อมูล ดังนั้นเมื่อพบค่าศูนย์ในข้อมูล จะไม่เสียเวลา
พวกเขาทำเช่นนี้ได้อย่างไร?
แนวคิดพื้นฐานเบื้องหลังชิปตัวเดียวขนาดใหญ่ของ Cerebras นั้นชัดเจนมานานหลายทศวรรษ แต่ก็ยังไม่สามารถทำได้ อ้างตัวเอง:
ย้อนกลับไปในทศวรรษ 1980 ผู้บุกเบิกการประมวลผลแบบขนาน Gene Amdahl ได้ วางแผนที่จะเร่งความเร็วของคอมพิวเตอร์เมนเฟรม: โปรเซสเซอร์ขนาดซิลิคอนเวเฟอร์ ด้วยการเก็บข้อมูลส่วนใหญ่บนโปรเซสเซอร์เอง แทนที่จะส่งผ่านแผงวงจรไปยังหน่วยความจำและชิปอื่นๆ การประมวลผลจะเร็วขึ้นและประหยัดพลังงานมากขึ้น
ด้วยเงินจำนวน 230 ล้านดอลลาร์จากนักลงทุนร่วมลงทุน ซึ่งมากที่สุดเท่าที่เคยมีมา Amdahl ได้ก่อตั้ง Trilogy Systems เพื่อทำให้วิสัยทัศน์ของเขาเป็นจริง นี้ความพยายามในเชิงพาณิชย์เป็นครั้งแรกที่“บูรณาการเวเฟอร์ขนาด” เป็นภัยพิบัติดังกล่าวว่า มีรายงานการแนะนำให้รู้จักคำกริยา“เพื่อปล่องภูเขาไฟ” ในพจนานุกรมกดการเงิน
ปัญหาพื้นฐานที่สุดคือยิ่งชิปมากเท่าไหร่ผลผลิตก็จะยิ่งแย่ลงเท่านั้น นั่นคือเศษส่วนของชิปทำงานที่คุณได้รับจากเวเฟอร์แต่ละอัน ตามหลักเหตุผล นี่ควรหมายความว่าชิปขนาดเวเฟอร์จะไม่เกิดประโยชน์ เนื่องจากผลิตภัณฑ์ของคุณมีข้อบกพร่องอยู่เสมอ วิธีแก้ปัญหาของ Cerebras คือการเพิ่มความซ้ำซ้อนจำนวนหนึ่ง จากข้อมูลของEE Timesเครือข่ายการสื่อสารของ Swarm มีลิงก์สำรองเพื่อกำหนดเส้นทางรอบคอร์ที่เสียหาย และประมาณ 1 เปอร์เซ็นต์ของคอร์เป็นอะไหล่
Cerebras ยังต้องแก้ไขขอบเขตการผลิตที่สำคัญบางประการ ประการหนึ่ง เครื่องมือชิปได้รับการออกแบบเพื่อหล่อรูปแบบที่กำหนดคุณลักษณะลงบนสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่ค่อนข้างเล็ก และทำอย่างนั้นซ้ำแล้วซ้ำอีก ทั่วทั้งแผ่นเวเฟอร์ได้อย่างสมบูรณ์แบบ เพียงอย่างเดียวจะทำให้ระบบจำนวนมากไม่สามารถสร้างขึ้นบนแผ่นเวเฟอร์เดียวได้ เนื่องจากต้นทุนและความยากในการหล่อรูปแบบต่างๆ ในที่ต่างๆ บนแผ่นเวเฟอร์
แต่ WSE นั้นดูเหมือนแผ่นเวเฟอร์ทั่วไปซึ่งเต็มไปด้วยชิปที่เหมือนกันทุกประการ เช่นเดียวกับที่คุณผลิตตามปกติ ความแตกต่างที่สำคัญคือวิธีที่พวกเขาทำงานกับ TSMC เพื่อเชื่อมต่อระหว่างช่องว่างระหว่างชิป พื้นที่ที่เรียกว่าเส้นนักเขียน โดยทั่วไปช่องว่างนี้จะเว้นว่างไว้เนื่องจากชิปจะถูกหั่นเป็นลูกเต๋าตามเส้นเหล่านั้น
จากข้อมูลของTech Crunch Cerebras ยังต้องคิดค้นวิธีที่จะให้พลังงานแก่ชิป 15 กิโลวัตต์และทำให้ระบบเย็นลง รวมทั้งสร้างตัวเชื่อมต่อชนิดใหม่ที่สามารถจัดการกับการขยายตัวเมื่อมันร้อนขึ้น
นี่เป็นวิธีเดียวที่จะสร้างคอมพิวเตอร์ขนาดเวเฟอร์หรือไม่?
แน่นอนไม่ ตัวอย่างเช่น ทีมงานของ University of California, Los Angeles และ University of Illinois Urbana-Champaign กำลังทำงานในระบบที่คล้ายคลึงกันซึ่งในที่สุดแล้วจะใช้ตัวประมวลผลเปล่าซึ่งได้สร้างและทดสอบแล้วและติดตั้งบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอนที่มีลวดลายอยู่แล้ว ด้วยเครือข่ายการเชื่อมต่อที่หนาแน่นที่จำเป็น แนวคิดนี้เรียกว่าผ้าเชื่อมต่อระหว่างกันซิลิกอนช่วยให้ไดเอทเหล่านี้นั่งใกล้กันถึง 100 ไมโครเมตร ทำให้สามารถสื่อสารระหว่างชิปที่ใกล้เคียงกับลักษณะของชิปตัวเดียว

สล็อตออนไลน์

“นี่คือการตรวจสอบใหญ่ของการวิจัยที่เราได้รับการทำ” ของมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์กล่าวว่า Rakesh Kumar “เราชอบความจริงที่ว่ามีความสนใจในเชิงพาณิชย์ในบางสิ่งเช่นนี้”
Kumar เชื่อว่าวิธีการเชื่อมประสานของผ้าซิลิกอนมีข้อดีเหนือโครงร่างแผ่นเวเฟอร์เสาหินขนาดใหญ่ของ Cerebras ประการหนึ่ง ช่วยให้นักออกแบบสามารถผสมผสานเทคโนโลยี และใช้กระบวนการผลิตที่ดีที่สุดสำหรับแต่ละคน วิธีการแบบเสาหินหมายถึงการเลือกกระบวนการที่ดีที่สุดสำหรับระบบย่อยที่สำคัญที่สุด เช่น ตรรกะ และใช้สำหรับหน่วยความจำและส่วนประกอบอื่นๆ แม้ว่าจะไม่เหมาะสำหรับพวกเขาก็ตาม
ในแนวทางดังกล่าว Cerebras อาจถูกจำกัดจำนวนหน่วยความจำที่สามารถใส่ลงในโปรเซสเซอร์ได้ Kumar กล่าว “พวกเขามี SRAM 18 กิกะบิตบนเวเฟอร์ อาจจะเพียงพอสำหรับบางรุ่นในวันนี้ แต่แล้วรุ่นพรุ่งนี้และวันต่อๆ ไปล่ะ?”
ออกมาเมื่อไหร่คะ?
จากข้อมูลของFortuneระบบแรกจะจัดส่งให้กับลูกค้าในเดือนกันยายน และบางระบบได้รับต้นแบบแล้ว ตามEE ไทม์บริษัท วางแผนที่จะเปิดเผยผลที่ได้จากระบบที่สมบูรณ์ในการประชุมซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในเดือนพฤศจิกายน
โพสต์นี้ได้รับการแก้ไขเมื่อวันที่ 22 สิงหาคม 2019 และอีกครั้งในวันที่ 2 กันยายน เพื่อให้จำนวนทรานซิสเตอร์และคอร์ในชิป Nvidia ถูกต้อง รวมถึงเพิ่มบริบทที่ดีขึ้นให้กับตัวเลขเหล่านี้และตัวเลขอื่นๆ IEEE Spectrum ขอบคุณ Peter Glaskowsky ที่ทำให้เราซื่อสัตย์
ผู้ผลิตชิปGlobalFoundries (GF) และArmบริษัทเซมิคอนดักเตอร์ IP ระบุว่าพวกเขาได้เสร็จสิ้นการออกแบบสำหรับชิปซิลิคอน3 มิติทดสอบโดยใช้เทคโนโลยีที่สามารถสร้างการเชื่อมต่อ 3 มิติได้หลายล้านรายการต่อตารางมิลลิเมตร เทคโนโลยีของพวกเขาผูกแผ่นเวเฟอร์สองแผ่นเข้าด้วยกันด้วยข้อต่อทองแดงแนวตั้งที่อัดแน่น บริษัทต่าง ๆ มองว่าเป็นเส้นทางในการส่งเสริมการเคลื่อนไหวของข้อมูลสำหรับแอปพลิเคชัน เช่น การเรียนรู้ของเครื่อง และช่วยให้สามารถผสานรวมเทคโนโลยีต่างๆ เช่น RF และซิลิคอนโฟโตนิกส์
Greg Yericนักวิจัยจาก Arm ในเมืองออสติน รัฐเท็กซัสกล่าวว่า “เราได้ทำการวิจัยเชิงสมมุติมาหลายปีเกี่ยวกับสิ่งที่เราสามารถทำได้ภายใน Arm IP เมื่อความหนาแน่นของการเชื่อมต่อถึงกันสูงเพียงพอ บริษัทคาดการณ์ว่าเมื่อการเชื่อมต่อแบบ 3 มิติสามารถทำได้ห่างกัน 10 ไมโครเมตรหรือน้อยกว่านั้น นักออกแบบจะสามารถใช้การเชื่อมต่อ 3 มิติเพื่อย่น “เส้นทางวิกฤต” ในคอร์ของโปรเซสเซอร์ได้ นั่นคือเส้นทางที่สร้างสัญญาณดีเลย์ที่ยาวที่สุดและจำกัดประสิทธิภาพการทำงาน การเชื่อมต่อในแนวตั้งช่วยให้เส้นทางวิกฤตสามารถพับขึ้นเพื่อไหลจากแม่พิมพ์ซิลิกอนหนึ่งไปยังอีกอันหนึ่งได้ เทคโนโลยีของ GF มาถึงขีดจำกัดนั้นแล้ว

jumboslot

เทคโนโลยีนี้เรียกว่าพันธะเวเฟอร์ต่อเวเฟอร์แบบเห็นหน้ากัน ด้วยวิธีนี้ ระบบได้รับการออกแบบในสองส่วนและสร้างขึ้นจากแผ่นเวเฟอร์สองแผ่น แผ่นเวเฟอร์ตัวหนึ่งมีการเชื่อมต่อในแนวตั้งที่เรียกว่าTSVs ทะลุผ่านซิลิกอนซึ่งขยายระยะทางเข้าไปในร่างกายของซิลิกอน ตามปกติในเทคโนโลยี CMOS การเชื่อมต่อระหว่างกันที่ผูกทรานซิสเตอร์เข้ากับวงจรจะถูกสร้างขึ้นในหลายชั้นเหนือซิลิกอน แต่สำหรับการยึดเหนี่ยวระหว่างเวเฟอร์กับเวเฟอร์ ชั้นบนสุดจะมีไซต์การประสานที่หนาแน่น เวเฟอร์ถูกจัดเรียงอย่างระมัดระวังและเชื่อมติดกันแบบเห็นหน้ากัน จากนั้นจึงนำซิลิกอนออกจากด้านหลังของแผ่นเวเฟอร์ด้วย TSV มากพอเพื่อให้เห็นการเชื่อมต่อเหล่านั้น ชิป 3D จะถูกหั่นเป็นลูกเต๋าและบรรจุ
ชิปทดสอบที่ทั้งสองบริษัทออกแบบไว้ในขณะนี้มีจุดประสงค์เพื่อกำหนดว่าเทคโนโลยีการเชื่อมต่อโครงข่ายแบบตาข่ายของ Arm ทำงานได้ดีเพียงใดในรูปแบบ 3 มิติ ซึ่งจะช่วยให้พวกเขาสามารถกำหนดชุดเมตริกสำหรับทีมพัฒนาผลิตภัณฑ์ได้ พวกเขาจะทดสอบซิลิคอนในต้นปี 2563
ทั้งวิศวกรของ GF และ Arm ต่างเห็นพ้องกันว่าส่วนที่ยากที่สุดในการมาถึงจุดนี้คือการไม่มีเครื่องมือการออกแบบระบบอัตโนมัติทางอิเล็กทรอนิกส์ (EDA) ที่สามารถออกแบบ 3D ประเภทนี้ได้ ทีมงานได้ทำงานร่วมกับศาสตราจารย์ Sung Kyu Lim แห่ง Georgia Techเพื่อเปิดใช้งานการออกแบบ 3 มิติโดยใช้เครื่องมือ 2D EDA พวกเขายังทำงานร่วมกับผู้ผลิตเครื่องมือ EDA ซึ่ง Yeric จะไม่ตั้งชื่อ
การเพิ่มความซับซ้อนในการออกแบบ ทีมงานพยายามที่จะรวมร่างมาตรฐาน “การออกแบบสำหรับการทดสอบ” ของIEEE ( IEEE p1838 ) Arm และ GlobalFoundries ต้องการทดสอบแม่พิมพ์บนเวเฟอร์ทั้งก่อนและหลังการติดเพื่อให้แน่ใจว่าชิป 3D ใช้งานได้ดี โครงการนี้ส่วนใหญ่ “เป็นความพยายามในการทำให้ระบบนิเวศการออกแบบพร้อม” Saurabh Sinha วิศวกรวิจัยหลักของ Arm กล่าว
“เป้าหมายของเราคือการทำให้บริษัทต่างๆ เช่น Arm และลูกค้ารายอื่นๆ สามารถปรับขนาดให้มีปริมาณมากเมื่อเครื่องมืออยู่ในกล่องเครื่องมือ” John Pellerinหัวหน้านักเทคโนโลยี แพลตฟอร์ม และรองประธานฝ่าย R&D ทั่วโลกของ GlobalFoundries กล่าว .
มันไม่ได้เป็นไปได้ที่จะสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมวัตถุประสงค์ทั่วไปพอควอนตัมบิต (qubits) ที่จะทำอะไรที่เป็นประโยชน์ แต่นักวิจัยหลายคนหวังว่าในที่สุดก็บรรลุเป้าหมายที่ พวกเขาส่วนใหญ่ใช้หนึ่งในสองกลยุทธ์ในการจัดเก็บและจัดการ qubits: ลูปตัวนำยิ่งยวดหรือไอออนที่ติดอยู่ ทั้งสองวิธีมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาด แต่จำเป็นต้องสร้างความซ้ำซ้อนมากเพื่อให้สามารถแก้ไขข้อผิดพลาดที่จำเป็นได้ ในที่สุดอาจต้องใช้ qubit ทางกายภาพหลายพันตัวในการทำงานร่วมกันเพื่อสร้าง qubit เชิงตรรกะที่แก้ไขข้อผิดพลาดเดียว และนั่นอาจทำให้ไม่สามารถสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเอนกประสงค์ได้

slot

นั่นเป็นเหตุผลที่นักวิจัยบางคน (โดยเฉพาะอย่างยิ่งบางคนที่ทำงานที่ Microsoft ) ได้พิจารณากลยุทธ์ที่สามมานานแล้ว: การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม “ทอพอโลยี” ซึ่งหากเกิดขึ้นจริง จะมี qubits ที่มีแนวโน้มว่าจะเกิดข้อผิดพลาดน้อยกว่ามาก อย่างไรก็ตาม การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมทอพอโลยีจะยากกว่าสิ่งที่กำลังสำรวจอยู่ในขณะนี้ด้วยลูปตัวนำยิ่งยวดและไอออนที่ติดอยู่ อันที่จริง เป็นเรื่องยากมากที่จะอธิบายว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ทอพอโลยีใช้สำหรับ qubits อย่างไร

This entry was posted in Slot and tagged , , , , , , , , , , , , , . Bookmark the permalink.