Как два физика поспорили: соберет ли кто-то топологический квантовый компьютер

Непотопляемый сервер: настраиваем кластер на основе Windows 2003 Server

Сегодня бизнес-процессы многих компаний полностью завязаны на информационных
технологиях. С ростом такой зависимости организаций от работы вычислительных
сетей доступность сервисов в любое время и под любой нагрузкой играет большую
роль. Один компьютер может обеспечить лишь начальный уровень надежности и
масштабируемости, максимального же уровня можно добиться за счет объединения в
единую систему двух или нескольких компьютеров — кластер.

Кластеры применяют в организациях, которым нужна круглосуточная и
бесперебойная доступность сервисов и где любые перерывы в работе нежелательны и
недопустимы. Или в тех случаях, когда возможен всплеск нагрузки, с которым может
не справиться основной сервер, тогда ее помогут компенсировать дополнительные
хосты, выполняющие обычно другие задачи. Для почтового сервера, обрабатывающего
десятки и сотни тысяч писем в день, или веб-сервера, обслуживающего
онлайн-магазины, использование кластеров очень желательно. Для пользователя
подобная система остается полностью прозрачной — вся группа компьютеров будет
выглядеть как один сервер. Использование нескольких, пусть даже более дешевых,
компьютеров позволяет получить весьма существенные преимущества перед одиночным
и шустрым сервером. Это равномерное распределение поступающих запросов,
повышенная отказоустойчивость, так как при выходе одного элемента его нагрузку
подхватывают другие системы, масштабируемость, удобное обслуживание и замена
узлов кластера, а также многое другое. Выход из строя одного узла автоматически
обнаруживается, и нагрузка перераспределяется, для клиента все это останется
незамеченным.

Спор двух ученых

В феврале два известных физика — Джонатан Доулинг, профессор из Университета штата Луизиана, и Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института — в Twitter поспорили: изобретет ли кто-то в ближайшее время топологический квантовый компьютер. Спор должен закончиться 1 марта 2030 года, то есть через 10 лет с начала пари. Прескилл поставил пиццу и пиво на то, что за следующее десятилетие такое устройство появится, а Доулинг считает, что нет.

It’s official and let all 13,000 of our followers be witnesses. pic.twitter.com/dzisuHBp5L

— Jonathan P. Dowling (@jpdowling) February 25, 2020

Несмотря на то, что для большинства людей предмет их спора достаточно экзотичен, несколько групп ученых довольно давно занимаются разработкой прототипа топологического квантового компьютера, а в корпорации Microsoft над его созданием работает целый отдел физиков.

Впервые технология топологического квантового компьютера была предложена российским физиком Алексеем Китаевым в 1997 году. В основе его работы лежит теория, что информацию можно хранить и передавать через кластеры электронов, которые также известны как неабелевы анионы. Теоретически эти кластеры сохраняют память о своем движении внутри материи, а компьютер может кодировать эту информацию и анализировать, как они меняются местами. Например, в паре анионов 0 может быть представлен как анион, меняющий свою позицию на единицу справа, а 1 будет интерпретирована как движение слева направо.

Физики сравнивают движение двух анионов с плетением двух прядей волос. Часть информации в таком компьютере будет представлена в том, что прядь находится сверху в косе, а не в физических свойствах самих волос. Информацию, закодированную таким образом, также намного сложнее изменить, даже по сравнению с обычными квантовыми вычислениями.

Кроме того, квантовые биты, или кубиты, могут совершать гораздо меньше ошибок относительно кубитов, основанных на свойствах физических объектов, таких как сверхпроводящие схемы, из которых состоят квантовые машины Google и IBM. Например, когда такие квантовые компьютеры выполняют сложные алгоритмы, схема может случайно изменить свойство своего соседа, что сразу же приводит к ошибке — при этом разработчики обычно долго не могут ее найти и не до конца понимают, как ее исправить. Топологические квантовые компьютеры были бы устойчивы к этому типу ошибок.

Топологические квантовые вычисления используют область геометрии, известную как топология, отсюда и название технологии. Топологи изучают свойства объектов, которые остаются неизменными, несмотря на их деформацию. Например, представьте, что вы лепите кусок глины в форме пончика. После этого пончик достаточно легко превратить в форму кофейной чашки — при этом не разрывая глину и не скрепляя ее повторно. Таким образом, согласно геометрии, у формы пончика и кофейной чашки есть общие черты или, как говорит эта теория, они топологически эквивалентны.

Точно так же топологический кубит будет сохранять содержащуюся в нем информацию до тех пор, пока остается в топологически эквивалентном состоянии. Ученые могут деформировать этот кубит «настолько, насколько пончик отличается от кофейной чашки, и он при этом будет работать», как отмечает профессор Доулинг.

Приверженцы этой теории уверены, что такой квантовый компьютер является самым стабильным из всех возможных устройств такого типа. Пока существует только одна проблема — физики не знают, как построить топологический квантовый компьютер.

Что такое кластер в экономике

В экономике понятие кластер включает в себя взаимозаменяемые элементы, относящиеся к самодостаточной локализованной сфере производства или услуг определённого направления.

Это может быть группа взаимосвязанных организаций, компаний, банков, учреждений образования, поставщиков продукции и комплектующих, научно-исследовательских институтов, которые сконцентрированы на некоторой территории, взаимодополняющие друг друга и усиливающие конкурентные преимущества отдельных компаний, а также всего кластера в целом.

Кластер в экономике

Понятие кластера в экономике было предложено в 1990 году американским экономистом М. Портером. Этим термином обозначалась группа конкурентоспособных смежных отраслей хозяйства страны. Причем компании, которые действуют в кластерных отраслях имеют тенденцию к географической концентрации. Поэтому современное определение кластера включает в себя следующее:

группа географически соседствующих, взаимосвязанных компаний и организаций, которые действуют в определённом секторе экономики и характеризуются общностью деятельности и взаимодополняющие друг друга

По своей сути, они являются не какой-то организацией, а всего на всего, определенной группой, в которую объединяются предприятия одного региона. Эти предприятия являются независимыми и конкурируют с остальными участниками кластера.

Такая форма объединения обладает достаточно высокими показателями конкуренции, кооперации и, само собой эффективностью экономики.

У кластера имеется свой центр, куда входит группа конкурирующих компаний данного кластера. Эта группа выпускает конечный продукт, который реализуется вне кластера.

Схема экономического кластера

Кластеры в экономике являются очень важным моментом, поскольку развивая сам кластер, тем самым развивается и экономика региона, повышается качество продукции.

Это связано с усилением конкуренции и более легкого доступа к новым технологиям. Кроме того, увеличивается занятость, повышается качество рабочей силы и, соответственно, повышается конкурентоспособность региона.

Высокопроизводительные кластеры (HPC)

Высокопроизводительные вычисления HPC (High-performance computing) – это способность обрабатывать данные и выполнять сложные расчеты с высокой скоростью. Это понятие весьма относительное. Например, обычный лэптоп с тактовой частотой процессора в 3 ГГц может производить 3 миллиарда вычислений в секунду. Для обычного человека это очень большая скорость вычислений, однако она меркнет перед решениями HPC, которые могут выполнять квадриллионы вычислений в секунду.

Одно из наиболее известных решений HPC – это суперкомпьютер. Он содержит тысячи вычислительных узлов, которые работают вместе над одной или несколькими задачами, что называется параллельными вычислениями.

HPC очень важны для прогресса в научных, промышленных и общественных областях.

Такие технологии, как интернет вещей IoT (Internet of Things), искусственный интеллект AI (artificial intelligence), и аддитивное производство (3D imaging), требуют значительных объемов обработки данных, которые экспоненциально растут со временем. Для таких приложений, как живой стриминг спортивных событий в высоком разрешении, отслеживание зарождающихся тайфунов, тестирование новых продуктов, анализ финансовых рынков, – способность быстро обрабатывать большие объемы данных является критической.

Чтобы создать HPC-кластер, необходимо объединить много мощных компьютеров при помощи высокоскоростной сети с широкой полосой пропускания. В этом кластере на многих узлах одновременно работают приложения и алгоритмы, быстро выполняющие различные задачи.

Чтобы поддерживать высокую скорость вычислений, каждый компонент сети должен работать синхронно с другими. Например, компонент системы хранения должен быть способен записывать и извлекать данные так, чтобы не задерживать вычислительный узел. Точно так же и сеть должна быстро передавать данные между компонентами НРС-кластера. Если один компонент будет подтормаживать, он снизит производительность работы всего кластера.

Существует много технических решений построения НРС-кластера для тех или иных приложений. Однако типовая архитектура НРС-кластера выглядит примерно так, как показано на рисунке ниже.

Архитектура НРС-кластера

Суперкомпьютеры и кластеры

Суперкомпьютерами принято называть вычислительные системы огромной производительности, которые состоят из большого количества вычислительных узлов, объединенных в единый ресурс. Менее производительные вычислительные системы — кластеры, в них функция вычислительных узлов возложена на автономные компьютеры, подключенные к скоростной сети обмена данными. Компьютеры, входящие в кластер, могут находиться в разных помещениях и даже зданиях — всюду, куда можно протянуть сетевой кабель. Многие научно-исследовательские центры и крупные университеты отдают предпочтение именно кластерам как дешевой альтернативе суперкомпьютерам, используя для этих целей парк своей компьютерной техники. Суперкомпьютеры и кластеры различаются только внешне, по сути же они работают схожим образом и относятся к системам параллельных сетевых вычислений — grid-сетям (англ. grid — решетка, сетка). Этот тип вычислений отличается скоростным взаимодействием между собой вычислительных узлов, что позволяет моделировать протекание сложных природных процессов.

Каждый час работы суперкомпьютеров расписан на месяцы вперед. Исследовательские группы чуть ли не дерутся между собой, чтобы получить доступ к консолям вычислительных гигантов. И в то же время в мире простаивают без дела технические средства с совокупной мощностью, способной заткнуть за пояс весь TOP500 самых производительных суперкомпьютеров мира.

Дизайн и конфигурация [ править ]

Одна из проблем при проектировании кластера — насколько сильно могут быть связаны отдельные узлы. Например, одно компьютерное задание может потребовать частого обмена данными между узлами: это означает, что кластер использует выделенную сеть, плотно расположен и, вероятно, имеет однородные узлы. Другая крайность — это когда компьютерная работа использует один или несколько узлов и не требует или почти не требует межузловой связи, что приближается к грид-вычислениям .

В кластере Беовульфа прикладные программы никогда не видят вычислительные узлы (также называемые подчиненными компьютерами), а взаимодействуют только с «Мастером», который является конкретным компьютером, выполняющим планирование и управление подчиненными устройствами. [13] В типичной реализации Мастер имеет два сетевых интерфейса, один из которых обменивается данными с частной сетью Beowulf для ведомых устройств, а другой — с сетью общего назначения организации. [13] Подчиненные компьютеры обычно имеют собственную версию той же операционной системы, а также локальную память и дисковое пространство. Однако частная подчиненная сеть может также иметь большой и совместно используемый файловый сервер, который хранит глобальные постоянные данные, к которым подчиненные устройства могут обращаться по мере необходимости. [13]

144-узловой кластер DEGIMA специального назначения настроен на выполнение астрофизических симуляций N-тел с использованием параллельного древовидного кода Multiple-Walk, а не для научных вычислений общего назначения. [16]

Из-за увеличения вычислительной мощности каждого поколения игровых консолей появилось новое применение, когда они были перепрофилированы в кластеры высокопроизводительных вычислений (HPC). Некоторые примеры игровых консолей кластеров Sony PlayStation кластеры и Microsoft Xbox кластеры. Другой пример потребительского игрового продукта — персональный суперкомпьютер Nvidia Tesla. рабочая станция, использующая несколько процессорных микросхем графического ускорителя. Помимо игровых консолей, вместо них можно использовать и высококачественные видеокарты. Использование видеокарт (или, скорее, их графических процессоров) для вычислений в сетке намного более экономично, чем использование процессоров, несмотря на то, что они менее точны. Однако при использовании значений с двойной точностью они становятся такими же точными для работы, как и ЦП, и по-прежнему намного дешевле (стоимость покупки). [2]

Компьютерные кластеры исторически работали на отдельных физических компьютерах с одной и той же операционной системой . С появлением виртуализации узлы кластера могут работать на отдельных физических компьютерах с разными операционными системами, которые показаны выше с виртуальным слоем, чтобы выглядеть одинаково. [17] [ необходима ссылка ] [ требуется разъяснение ] Кластер также можно виртуализировать в различных конфигурациях по мере обслуживания; пример реализации — Xen в качестве диспетчера виртуализации с Linux-HA . [17]

Mira – Blue Gene/Q

Местоположение: США
Производительность: 8,56 петафлопс
Теоретический максимум производительности: 10,06 петафлопс
Мощность: 3,9 МВт

Суперкомпьютер «Мира» был разработан компанией IBM в рамках проекта Blue Gene в 2012 году. Отделение высокопроизводительных вычислений Аргонской национальной лаборатории, в котором располагается кластер, было создано при помощи государственного финансирования. Считается, что рост интереса к суперкомпьютерным технологиям со стороны Вашингтона в конце 2000-х и начале 2010-х годов объясняется соперничеством в этой области с Китаем.

Расположенный на 48 стойках Mira используется в научных целях. К примеру, суперкомпьютер применяется для климатического и сейсмического моделирования, что позволяет получать более точные данные по предсказанию землетрясений и изменений климата.

Файловая система

Величина доступного размера кластера зависит от файловой системы на жестком диске. Вы можете ознакомиться с поддерживаемыми размерами для разных файловых систем и версий Windows на официальном сайте Microsoft.

Проверить, какая файловая система у вас вы сможете в окне свойств диска, щелкнув по нему правой кнопкой мышки в Проводнике и выбрав «Свойства» из контекстного меню.

Adblock
detector