Η αρχιτεκτονική των υπολογιστών σήμερα

Από τη δεκαετία του 1960, η υπολογιστική ισχύς αυξάνεται εκθετικά. Σήμερα, οι επιστήμες της μηχανικής και της πληροφορικής έχουν καταφέρει να παρουσιάσουν υπολογιστική δύναμη ικανή να ανταγωνιστεί και να επικρατήσει της ανθρώπινης ευφυΐας. Ποια όμως είναι η εικόνα της επομένης ημέρας; Είναι δυνατό να συνεχίσει η υπολογιστική δύναμη να αυξάνεται με τους ίδιους ρυθμούς ή πλησιάζουμε στο όριο εκείνο το οποίο δύσκολα μπορούμε να ξεπεράσουμε; Είναι η τεχνολογία των υλικών ώριμη αρκετά να προσφέρει καλύτερους υπολογιστές ή πρέπει να καταφύγουμε σε διαφορετικές τεχνολογίες;

Γράφει ο δρ. Σάββας Χατζηχριστοφής, καθηγητής τεχνητής νοημοσύνης, Πανεπιστήμιο Νεάπολις Πάφου, μέλος της ομάδας Science Hoaxes.

Εκ του αποτελέσματος, οι υπολογιστές, αντιμετωπίζονται ως πολύπλοκες, ισχυρές και ευφυείς μηχανές.

Στην πραγματικότητα όμως, αποτελούνται από ένα σύνολο δομικών συστατικών, ικανό να εκτελεί μόνο εξαιρετικά απλές μαθηματικές πράξεις. Οι υπολογιστικές ικανότητες των δομικών μονάδων του υπολογιστή μπορούν να συγκριθούν με τις ικανότητες μαθητών που φοιτούν στις πρώτες τάξεις του Δημοτικού σχολείου. Τόσο οι μαθητές, όσο και τα δομικά στοιχεία του υπολογιστή, μπορούν να εκτελέσουν απλές μαθηματικές πράξεις τύπου πρόσθεσης και αφαίρεσης με μεγάλη ευκολία. Η διαφορά, ενδεχομένως, έγκειται στο γεγονός ότι ο υπολογιστής, εκτελεί αυτές τις πράξεις, χωρίς την πιθανότητα εμφάνισης λανθασμένου αποτελέσματος. Αν όμως οι υπολογιστικές ικανότητες του πυρήνα του υπολογιστή είναι τόσο περιορισμένες, πώς αυτός συμπεριφέρεται με τόση ισχύ, λύνοντας προβλήματα που προσομοιώνουν ακόμα και τη δημιουργία του σύμπαντος; Η απάντηση κρύβεται στην ποσότητα των δομικών μονάδων που περιλαμβάνονται στον πυρήνα του κάθε επεξεργαστή. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι κάθε πρόβλημα το οποίο ο υπολογιστής καλείται να λύσει, μεταφράζεται από έναν αλγόριθμο σε ένα σύνολο βημάτων, τα οποία περιλαμβάνουν απλές, στοιχειώδεις πράξεις όπως πρόσθεση και αφαίρεση. Όσο περίπλοκο κι αν είναι το αρχικό πρόβλημα, στην καρδιά του υπολογιστή καταλήγει ως ένα σύνολο απλών πράξεων. Κάθε μία από αυτές τις πράξεις εκτελείται από ειδικά διαμορφωμένες μονάδες υλικού. Οι μονάδες αυτές περιλαμβάνουν βασικά ηλεκτρονικά κυκλώματα, γνωστά ως πύλες. Πυρήνας των πυλών είναι τα transistors (κρυσταλλοτρίοδοι – διάταξη ημιαγωγών στερεάς κατάστασης). Τα τρανζίστορ είναι η απλούστερη μορφή υλικού επεξεργασίας δεδομένων το οποίο συναντάται σε έναν υπολογιστή. Η υπολογιστική ικανότητα των πυλών και των δομικών στοιχείων του υπολογιστή παραμένει περιορισμένη. Αν όμως καταφέρουμε να συμπεριλάβουμε μερικά εκατομμύρια τέτοιες μονάδες στην καρδιά ενός επεξεργαστή, ο υπολογιστής θα μπορεί σε πραγματικό χρόνο να αντιμετωπίζει προβλήματα που η ανθρώπινη νοημοσύνη χρειάζεται χρόνια επεξεργασίας. Απλοποιώντας προφανώς τη διαδικασία καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι, όσο περισσότερα τρανζίστορ μπορούν να «χωρέσουν» σε έναν επεξεργαστή τόσο μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύ μπορεί να έχουμε. Ταξιδεύοντας στο μακρινό 1979, συναντάμε 29000 τρανζίστορ στον επεξεργαστή Intel 8088 ενώ το 2021, στον επεξεργαστή M1 Max της Apple, θα συναντήσουμε 57 δισεκατομμύρια τρανζίστορ.

Με το πέρασμα των χρόνων και ενώ η επιστήμη των υλικών ανακαλύπτει νέους ορίζοντες, το μέγεθος των τρανζίστορ μειώνεται. Έχει καθιερωθεί τόσο στη βιβλιογραφία όσο και την αγορά, το μέγεθος των νανομέτρων (nm) να δείχνει το πλήθος των τρανζίστορ σε ένα κύκλωμα. Όσο μικρότερο το μέγεθος, τόσο περισσότερα τρανζίστορ σε ένα κύκλωμα, και τόσο μεγαλύτερη δυνητικά η ισχύς του. Σήμερα, στην αγορά συναντάμε τρανζίστορ στα 7nm (για παράδειγμα AMD Ryzen 3000), ενώ η Apple κατάφερε να πετύχει το εντυπωσιακό των 5nm. Για να έχουμε μια καλύτερη απεικόνιση του μεγέθους, αξίζει να σημειωθεί ότι ένα τρανζίστορ στα 5nm είναι 1400 φορές μικρότερο από ένα ερυθρό αιμοσφαίριο, και 60 φορές μικρότερο από το μέγεθος του κορωνοϊού. Όμως, όσο το μέγεθος των τρανζίστορ συνεχίζει να μειώνεται, προσεγγίζοντας το μέγεθος των ατόμων, τόσο πλησιάζουμε στο φαινόμενο Quantum Tunneling. Σε αυτό το σημείο η λειτουργία των τρανζίστορ δεν θα είναι συμβατή με τις προδιαγραφές σχεδίασης τους. Πρακτικά, τα 5nm ορίζονται ως το φυσικό όριο για την κατασκευή ενός τρανζίστορ με βάση το πυρίτιο. Σε μικρότερες κλίμακες, τα τρανζίστορ θα συμπεριφέρονται με τρόπο απρόβλεπτο, καθιστώντας μη λειτουργικούς τους υπολογιστές.

Η ΕΠΟΜΕΝΗ ΜΕΡΑ

Η επόμενη μέρα μας παρουσιάζει τους κβαντικούς υπολογιστές. Μπορεί ο όρος να γίνεται σιγά σιγά γνωστός στο ευρύ κοινό, ως μοντέλο όμως, έστω και σε θεωρητικό επίπεδο, εμφανίζεται από τις αρχές της δεκαετίες του 1980. Το λαμπρό μυαλό του Richard P. Feynman, μελετώντας την κβαντική φυσική, καταλήγει στο συμπέρασμα ότι προβλήματα από αυτό το πεδίο, δεν μπορούν να επεξεργαστούν και να προσομοιωθούν από συμβατικούς υπολογιστές, διατυπώνοντάς ταυτόχρονα την ανάγκη σχεδίασης υπολογιστών κβαντικής τεχνολογίας. Οι υπολογιστές αυτοί, σε καμία περίπτωση, δεν αποτελούν την εξέλιξη των υπολογιστών που χρησιμοποιούμε σήμερα. Πρόκειται για μια εντελώς διαφορετική αρχιτεκτονική όπου η σύγκριση με την υπάρχουσα, θα έμοιαζε με σύγκριση του ηλεκτρικού λαμπτήρα με το κερί. Μπορεί και τα δύο να παράγουν φως, αλλά σε καμία περίπτωση, συνεχείς βελτιώσεις στο κερί δεν θα οδηγούσαν στο λαμπτήρα.

Ο κβαντικός υπολογιστής στηρίζεται και εκμεταλλεύεται τις ιδιότητες της κβαντομηχανικής, οι οποίες προφανώς χρήζουν ανάλυσης προκειμένου να γίνουν κατανοητές. Με απλά λόγια, η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ ενός κλασικού και ενός κβαντικού υπολογιστή, πέραν των διαφορών στη δομή και την οργάνωση του υλισμικού, έγκειται στον τρόπο με τον οποίο αντιμετωπίζεται η πληροφορία. Στην περίπτωση των συμβατικών υπολογιστών, η πληροφορία, προκειμένου να γίνει κατανοητή, μεταγλωττίζεται σε μια γλώσσα, της οποίας το αλφάβητο περιλαμβάνει μόνο δύο σύμβολα, το 0 και το 1. Έτσι, ως μονάδα μέτρησης της πληροφορίας χρησιμοποιείται το bit (binary digit), το οποίο, σε κάθε χρονική στιγμή, μπορεί να έχει την τιμή 0 ή 1. Όταν όμως μεταφερόμαστε στον κόσμο των κβαντικών υπολογιστών, το bit αντικαθίσταται από το qubit. Το κβαντικό bit αποτελεί μια υπέρθεση, ένα συνδυασμό και των δύο καταστάσεων ταυτόχρονα. Όταν μετρηθεί, το qubit «προβάλλεται» σε μία από τις δυνατές καταστάσεις 0 ή 1, με ορισμένη πιθανότητα να περιέλθει σε κάποια από αυτές.

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΔΙΕΜΠΛΟΚΗ

Παράλληλα, μια άλλη εξαιρετική ιδιότητα των qubits είναι η κβαντική διεμπλοκή. Σύμφωνα με το φαινόμενο αυτό, δύο σωματίδια που δημιουργούνται μαζί ή αλληλεπιδρούν συνενώνοντας τις κυματοσυναρτήσεις τους, μένουν σε κατάσταση διεμπλοκής μεταξύ τους, ασχέτως του χώρου που μεσολαβεί πλέον από το ένα στο άλλο. Αυτό συνεπάγεται ότι, μετρώντας/παρατηρώντας το ένα από τα διαμπλεγμένα qubits, άμεσα συμπεραίνουμε τις ιδιότητες του άλλου.

Ο συνδυασμός των ιδιοτήτων υπέρθεσης και εμπλοκής επιτρέπει στους κβαντικούς υπολογιστές να λειτουργούν σημαντικά πιο αποδοτικά από τους συμβατικούς υπολογιστές. Σήμερα, η βιομηχανία και η επιστημονική κοινότητα έχουν περάσει από το θεωρητικό σχεδιασμό στην κατασκευή των κβαντικών υπολογιστών. Ο πρώτος κβαντικός υπολογιστής παρουσιάζεται από την IBM το 2001, ο οποίος εξελίσσεται σημαντικά το 2017. Το 2018 στο παιχνίδι μπαίνει η Google παρουσιάζοντας τον Bristlecone, με 72 qubits και τον Οκτώβριο του 2019, η ίδια εταιρεία δημοσιεύει σε επιστημονικό άρθρο ότι πέτυχε την «Κβαντική Υπεροχή». Ο όρος, στην πρώτη του ανάγνωση, υπονοεί κάποιο σημαντικό επίτευγμα! Στην πραγματικότητα όμως αναφέρεται στην επίλυση ενός σχετικά χρήσιμου προβλήματος με τη χρήση κβαντικού υπολογιστή, το οποίο θα ήταν πρακτικά αδύνατον να λυθεί με ένα συμβατικό υπολογιστή. Βέβαια, αυτό είναι μόνο η αρχή. Τα επόμενα χρόνια, η εταιρεία D-Wave Systems εκτιμά ότι θα παρουσιάσει λύσεις στην αγορά (Advantage 2) που θα αριθμούν περισσότερα από 7000 qubits.

Προτού όμως αναλυθούν επιγραμματικά τα προφανή αναμενόμενα οφέλη των κβαντικών υπολογιστών, είναι σημαντικό να τονιστεί ότι ακόμα απαιτείται χρόνος προκειμένου οι ίδιοι να μεταβούν από πεδίο έρευνας, σε πεδίο προόδου και παραγωγής νέας έρευνας.

Ακολουθώντας το όραμα του Feynman, αρχικά, οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν για να προσομοιώσουν κβαντικά φαινόμενα. Αυτό θα βοηθήσει στην αποκωδικοποίηση και την πρόοδο της κβαντικής μηχανικής αλλά και την κβαντική θεωρία πεδίου. Παράλληλα, οι κβαντικοί υπολογιστές, αναμένεται να μετασχηματίσουν τον τρόπο με τον οποίο μελετάται η ιατρική και η φαρμακευτική. Για παράδειγμα, ο σχεδιασμός και η ανάλυση μορίων για ανάπτυξη φαρμάκων αποτελεί ένα εξαιρετικά δύσκολο πεδίο ακόμα και για τους σύγχρονους υπερυπολογιστές. Ένας κβαντικός όμως υπολογιστής λειτουργεί όπως και το μόριο το οποίο προσπαθεί να προσομοιώσει. Το γεγονός αυτό προσφέρει ένα εξαιρετικό πλεονέκτημα στους κβαντικούς υπολογιστές, δεδομένου ότι θα επιτρέπονται μεγάλης κλίμακας κβαντικές προσομοιώσεις για ανάπτυξη φαρμάκων. Και ίσως, αυτές οι προσομοιώσεις να προσφέρουν θεραπείες για πολλές ασθένειες, όπως για παράδειγμα τη νόσο του Αλτσχάιμερ.

Αξίζει να τονιστεί ότι οι κβαντικοί υπολογιστές, θα θέσουν σε άμεσο κίνδυνο τις γνωστές μεθόδους κρυπτογραφίας. Την ίδια στιγμή όμως, αποτελούν εξαιρετικά εργαλεία σχεδίασης νέων αλγορίθμων κρυπτογραφίας, κυρίως λόγω της ιδιότητας της κβαντικής αβεβαιότητας. Μόνο αν παραβιαστούν οι νόμοι της κβαντικής φυσικής, τίθεται σε κίνδυνο η ασφάλεια μιας τέτοιας μεθόδου κρυπτογραφίας.

ΥΠΑΡΧΕΙ ΜΕΛΛΟΝ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΟΥΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ;

Παρά τα εντυπωσιακά αποτελέσματα που διαφαίνονται, οι κβαντικοί υπολογιστές παρουσιάζουν σημαντικές αδυναμίες. Σημαντικότερη αδυναμία αυτών ότι προκειμένου να διατηρηθούν τα qubits στην επιθυμητή κατάσταση υπέρθεσης, απαιτούνται εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (κοντά στο απόλυτο μηδέν). Παράλληλα, η κατάσταση υπέρθεσης, καθιστά τους κβαντικούς υπολογιστές υπερβολικά ευαίσθητους σε θόρυβο που προκαλεί σφάλματα στα αποτελέσματα.

Είναι δεδομένο ότι τα επόμενα χρόνια, οι μεγαλύτεροι κολοσσοί πληροφορικής και όχι μόνο, θα δαπανήσουν τεράστια ποσά προκειμένου να πρωταγωνιστήσουν στην πρώτη εποχή εφαρμογής της κβαντικής τεχνολογίας. Οι πρώτες εκτιμήσεις αναφέρουν επενδύσεις που ξεπερνούν τα 25 δισεκατομμύρια δολάρια τόσο από κρατικές χρηματοδοτήσεις όσο και από ιδιωτικές επενδύσεις. Αξίζει να σημειωθεί ότι η Κίνα αποφάσισε να δαπανήσει 10 δισεκατομμύρια δολάρια προκειμένου να αναπτύξει τεχνογνωσία και εξοπλισμό στο εν λόγω πεδίο. Με ισχυρά όμως ποσά εισέρχονται στο παιχνίδι τόσο οι ΗΠΑ όσο και οι Γερμανία και Γαλλία.

Πλησιάζουμε όμως πραγματικά στο τέλος της κλασικής αρχιτεκτονικής των υπολογιστών; Η απάντηση προφανώς και είναι αρνητική. Η εξέλιξη της τεχνολογίας των υπολογιστών κατάφερε να φέρει στα χέρια των καταναλωτών συσκευές ικανές να ανταπεξέλθουν στις πλέον απαιτητικές ανάγκες εργασίας, ψυχαγωγίας και ενημέρωσης. Η παραδοσιακή μορφή των υπολογιστών, είτε αυτοί είναι υπολογιστές γραφείου είτε κινητά τηλέφωνα, θα συνεχίσουν να υπηρετούν τις ανάγκες μας, παρόλο που σύντομα ενδεχομένως να φτάσουμε στα όρια του Quantum Tunneling. Η έρευνα συνεχίζει σε νέα υλικά και εναλλακτικούς τρόπους επιτάχυνσης. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ένα ισχυρό εργαλείο το οποίο θα βοηθήσει στην αποκωδικοποίηση των μυστικών της φύσης και σύντομα θα χαράξει νέα μονοπάτια έρευνας. Δεν είναι όμως δεδομένο ότι θα καταλήξουν (σύντομα) στα γραφεία μας, και ούτε σχεδιάστηκαν άλλωστε γι’ αυτό το σκοπό.