Появился первый нейроморфный суперкомпьютер, имитирующий работу мозга и потребляющий всего 2.5 Ватта энергии


Уже достаточно давно было принято называть микропроцессор "электронным мозгом" компьютера. А в настоящее время этот термин стал еще намного ближе к его же значению. Руководство Ливерморской Национальной лаборатории имени Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL) заключило сделку, в рамках которой для нужд лаборатории будет приобретена нейроморфная суперкомпьютерная вычислительная система, разработанная специалистами IBM Research. Основой этой системы является нейросинаптический процессор IBM TrueNorth и в составе ядра системы будут работать 16 миллионов цифровых нейронов и 4 миллиарда синапсов, а потребляемая нейроморфным ядром энергия будет равна всего 2.5 Ваттам.

Процессор TrueNorth использует принципы, кардинально отличные от принципов, на которых строились компьютеры и вычислительные системы за последние 70 лет. На кристалле этого процессора созданы электронные цифровые аналоги нейронов и синапсов, а собственно чип можно рассматривать как какой-то участок головного мозга. Согласно информации от компании IBM, это является не первым случаем попытки создания подобной вычислительной системы, но в чипе TrueNorth использованы все самые последние достижения в этой области, которые позволяют избежать узких мест традиционной архитектуры Фон-Неймана и требуют совершенно новых подходов к архитектуре вычислительных систем.

Технология, которая лежит в основе процессора TrueNorth, изначально разрабатывалась для программы Управления перспективных исследовательских программ Пентагона DARPA SyNAPSE (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics). Она является масштабируемой и на ее основе можно создавать вычислительные системы экза-уровня, системы, производительность которых эквивалентна миллиардам миллиардов вычислительных операций в секунду. Это в пятьдесят раз быстрее, нежели существующие суперкомпьютеры, производительность которых находится на пета-уровне, при этом, габариты нейроморфной системы гораздо меньше габаритов суперкомпьютера.

Вычислительная система, которая будет поставлена в лабораторию LLNL, содержит 16 чипов TrueNorth, на кристалле каждого из которых находится по 5.4 миллиарда транзисторов, соединенных так, что получается один миллион цифровых нейронов и 256 миллионов синапсов. Для сравнения, в мозге человека насчитывается 100 миллиардов нейронов, так, что пока о создании полного электронного аналога мозга можно только задумываться.

Каждый процессор TrueNorth способен выполнять 46 гига-синаптических операций в секунду, потребляя всего 70 милливатт энергии при напряжении питания 0.8 Вольта. А 16 процессоров с элементами архитектуры, обеспечивающими совместную работу процессоров, потребляют энергию, сопоставимую с уровнем потребления планшетного компьютера.

Эффективность работы нейроморфной системы достигается за счет отсутствия некоторых ограничений традиционной архитектуры Фон-Неймана. К примеру, в нейроморфной системе программные инструкции и данные могут проходить через один и тот же маршрут, что принципиально невозможно в классических системах. Кроме этого, некоторые части процессора TrueNorth подключаются только в случае необходимости, что так же приводит к значительному снижению энергопотребления.

Нейроморфная система TrueNorth будет использоваться в рамках программы National Nuclear Security Administration's Advanced Simulation and Computing (ASC), в которой, при помощи методов глубинного изучения будут проводиться расчеты математических моделей из области кибербезопасности в отношении систем ядерных вооружений и подземных ядерных испытаний.

Специалисты лаборатории LLNL получат не голую нейроморфную систему из 16 чипов, в их распоряжение поступит целая "экосистема", позволяющая аппаратной части системы подражать работе головного мозга и снабдить систему функциями восприятия, познания и действий. Эта система включает в себя различные эмуляторы, специализированный язык программирования, интегрированную среду разработки, библиотеки алгоритмов и средства интеграции нейроморфной системы с облачными вычислительными системами.

Источник

Стирка больше не потребуется: специальное нанопокрытие позволяет ткани очищаться под воздействием света


Процесс стирки вещей, несмотря на высокую степень автоматизации даже в бытовых условиях, остается достаточно хлопотным делом. Человеку требуется загрузить в стиральную машину дозу порошка или жидкости, поместить в нее грязную одежду, извлечь выстиранные вещи, разобрать и повесить их для просушки. Однако, благодаря работе исследователей из Королевского Технологического института в Мельбурне (Royal Melbourne Institute of Technology, RMIT) в будущем процедура стирки перестанет быть необходимостью. Разработанное австралийскими исследователями нанопокрытие позволяет ткани самоочищаться всякий раз, когда на ее поверхность попадают лучи света.

Представьте себе, что вы вешаете грязную рубашку возле окна, и через некоторое время она становится чистой, или выходите на прогулку в солнечный день в не очень свежей футболке, которая по возвращению сверкает кристальной чистотой. И эти чудеса творят наноструктуры из меди и серебра, особым образом выращенные на поверхности волокон ткани.

Когда на поверхность крошечных металлических структур попадают фотоны света из источника естественного или искусственного происхождения, в них возникают свободные "горячие" электроны, обладающие достаточно высокой энергией. Эти электроны, двигаясь с большой скоростью, сталкиваются с молекулами органических веществ и создают микровзрывы, расщепляющие эти молекулы. Такая технология может удалить или значительно уменьшить зеленый след от травы, оставшийся на спортивной форме от падения во время футбольного матча, но ей пока не по силам справиться со следами чернил, оставшихся на одежде после замены картриджей в принтере.


Наноструктуры на поверхности волокон ткани выращиваются путем последовательного погружения обычной ткани в несколько различных растворов. Весь процесс выращивания производится приблизительно за 30 минут времени, после чего даже весьма значительное загрязнение очищается всего за шесть минут пребывания на ярком солнечном свете.

Исследователи утверждают, что технология нанесения нанопокрытия весьма проста, абсолютно безвредна для человека и может быть использована в промышленных масштабах. Именно это дает данной технологии преимущества перед другими подобными технологиями самоочищения тканей и поверхностей.

Источник

Полимерно-металлическая пена может стать основой роботов, способных менять свою форму


Металлические роботы, способные изменять свою форму в широких пределах, уже достаточно давно известны нам по фильму "Терминатор" и по некоторым другим научно-фантастическим произведениям. Однако, подобные технологии находятся еще в "зачаточном состоянии" и ожидать появления реальных роботов-полиморфов можно не ранее, чем через несколько десятков лет. Тем не менее, такая ситуация может в корне измениться благодаря прорыву, сделанному какой-нибудь группой ученых и исследователей.

Нечто, что весьма приближенно можно считать вышеупомянутым прорывом, сделали ученые из Корнуэльского университета. Они произвели на белый свет полимерно-металлическую пену, уникальный состав которой позволяет ему при одних условиях легко изменять свою форму, а при других условиях - становиться твердым, приобретая механическую прочность. Такой чудо-материал имеет множество возможных областей применения, но самую большую перспективу он имеет для области так называемой "мягкой робототехники".

Новый материал является гибридным материалом, в состав которого входит мягкая пористая резина и твердые металлические частицы. Процесс изготовления такого материала начинается с погружения пористой силиконовой пены в расплав специального металлического сплава. Этот процесс производится в условиях вакуума, воздух из пор пены высасывается и его место заполняет расплавленный металл. После этого материал охлаждается, сплав затвердевает и материал превращается в твердое тело, которое можно подвергать механической обработке.

Используемый в материале сплав имеет очень низкую температуру плавления - 62 градуса Цельсия (144 градуса Фаренгейта). Когда материал нагревается выше этой точки, он становится мягким и поддающимся изменениям его формы. После охлаждения материал приобретает твердость и механическую прочность, сохраняя приданную ему форму.

"Роботы и другие механизмы должны быть твердыми и прочными" - рассказывает Роб Шепэрд (Rob Shepherd), профессор из Корнуэльского университета, - "Если идти традиционным путем и изготавливать роботов из обычных твердых материалов и металла, то изменение его формы на лету не будет возможным. Однако, элементы конструкций "мягких роботов" должны уметь переключаться из мягкого в твердое состояние, и наш новый материал позволяет реализовать это без особых трудностей".

Кроме способности к изменению твердости, новый материал обладает способностью к самозаживлению и самовосстановлению в случае получения механических повреждений. И эта возможность наверняка будет востребована там, где условия не позволяют производить никаких работ по ремонту и обслуживанию техники, к примеру, в глубинах космоса или внутри "горячих" помещений аварийной атомной станции Фукусима.

Источник

Новый чип может стать основой первого реального квантового компьютера


Повторяясь наверное уже в сотый раз, напомним нашим читателям, что в настоящее время квантовые компьютеры считаются самыми перспективными кандидатами на роль высокопроизводительных вычислительных систем будущих поколений. Однако, несмотря на массу проводимых в направлении квантовых вычислений исследований и экспериментов, реальные квантовые компьютеры так и продолжают оставаться лишь чем-то из разряда научной фантастики. Тем не менее, проводимые исследования иногда дают положительные результаты, и к таким результатам, безусловно, можно отнести новый чип, которые имеет потенциал стать ядром квантовой вычислительной системы любого уровня сложности.

Квантовые компьютеры имеют более высокую вычислительную мощность, нежели традиционные компьютеры, за счет использования ими в своих интересах некоторых причудливых законов квантовой механики. Единицей информации в классических вычислительных системах является бит, который может принимать два значения - 1 и 0, основой квантовых систем является квантовый бит, кубит, который, помимо двух указанных ранее значений, может содержать оба этих значения одновременно - находиться в так называемом состоянии квантовой суперпозиции. И это позволит квантовым системам работать гораздо быстрее традиционных при решении тяжелых вычислительных задач определенного класса.

Ученым уже достаточно неплохо удается создание примитивных квантовых вычислительных систем, в которых используются два или три кубита, однако увеличение числа кубитов, что требуется для создания полноценных высокопроизводительных компьютеров, связано с преодолением многих трудностей и проблем технического плана. Конечно, некоторые могут вспомнить квантовые компьютеры канадской компании D-Wave, количество кубитов в которых исчисляется сотнями, но как бы там ни было, в настоящее время еще не получены убедительные и окончательные доказательства истинно квантовой природы этих вычислительных систем.

Согласно информации от Technology Review, исследователи из университета Мэриленда создали универсальный квантовый чип, на кристалле которого находятся пять кубитов, который представляет собой универсальный модуль для квантового компьютера. Эти модули допускают последовательное их соединение, что позволит создавать на их основе квантовые вычислительные системы со сколь угодно большим количеством кубитов.

В качестве кубитов в новом устройстве выступают пять ионов иттербия, пойманных в специальной ловушке, состоящей из сильных электромагнитных полей. При помощи импульсов лазерного света с определенными параметрами можно управлять состоянием этих ионов, т.е. записывать в них необходимую квантовую информацию. Поскольку ионы являются носителем однополярного электрического заряда, они оказывают влияние друг на друга, а дополнительное влияние может быть обеспечено путем изменения параметров электрических и магнитных полей, удерживающих эти ионы в ловушке. Используя комбинации параметров полей, можно построить на основе этих пяти ионов квантовые вычислительные цепи, которые будут выполнять необходимую в данный момент обработку хранящейся в кубитах информации.

Испытывая новый чип, исследователи реализовали при его помощи обработку квантовой информации при помощи практически всех существующих базовых алгоритмов, которые являются более сложными, нежели алгоритмы, функционирующие в традиционных компьютерах.

А в ближайшем времени исследователи планируют соединить несколько одинаковых чипов в единую цепочку, получив прототип квантового компьютера, обладающего большой вычислительной мощностью и способного выполнять сложную обработку квантовой информации. И, если исследователям удастся сделать это, то момент появления первых реальных квантовых компьютеров может значительно приблизиться, перейдя в разряд обозримого будущего.


Запутанные фотоны являются "краеугольным камнем" всех современных квантовых технологий, включая квантовые вычисления, квантовые коммуникации и шифрование. И недавно международной группе ученых удалось собрать воедино на кристалле одного чипа множество различных квантовых технологий, оперирующих информацией, носителями которой являются запутанные фотоны. Боле того, структура этого интегрированного чипа полностью совместима с существующими оптоволоконными технологиями и технологиями производства полупроводниковых приборов, что позволит в будущем встраивать оптико-квантовые элементы прямо в структуру чипов, предназначенных для смартфонов, планшетных компьютеров и прочих цифровых электронных устройств.

Используя "сборку" квантовых компонентов, включая микрокольцевые резонаторы и квантовый вариант частотной гребенки для получения запутанных квантовых битов, работоспособность которых была проверена в ходе ряда предыдущих исследований, ученые установили своего рода рекорд по сложности схемы квантовой системы и количества запутанных кубитов, произведенных при помощи однокристальной схемы.

"Данное достижение дает нам в руки беспрецедентно высокий уровень гибкости при производстве и использовании запутанных фотонов в пределах одного чипа" - рассказывает профессор Дэвид Мосс (David Moss)? Директор Центра микро-фотоники в Технологическом университете Свинбурна, - "Мы не только получили возможность создания сотен информационных каналов на базе запутанных фотонов, мы впервые получили в пределах одного чипа запутанное состояние одновременно четырех фотонов".


Для того, чтобы переместить запутанные кубиты в состояние квантовой суперпозиции, используется интегрированный микрокольцевой резонатор с лазерной накачкой, который производит большое количество запутанных фотонов, попадающих через спектральный фильтр в оптическую частотную гребенку. Эта гребенка, в свою очередь, производит кубиты из нескольких запутанных фотонов. Частоты этих фотонов дискретны и их насчитывается несколько сотен, а диапазон частот этих фотонов позволяет беспрепятственно передавать их на расстояние при помощи оптоволокна.

Согласно имеющейся информации, все характеристики разработанной технологии полностью соответствуют критериям, необходимым для интеграции новой и ряда существующих технологий, включая технологии отображения информации, съемки, микроскопии и квантовой обработки информации. Более того, производство оптико-квантовых компонентов чипов недорого, масштабируемо и совместимо с обычными оптико-электронными компонентами за счет использования одного и того же диапазона частот.

"Создав сложнейшие квантовые схемы на чипе, который был изготовлен при помощи традиционных процессов промышленного производства, мы открыли путь к появлению мощных квантовых суперкомпьютеров и обычных персональных компьютеров, использующих преимущества технологий квантовых вычислений" - рассказывает профессор Морандотти из Национального научно-исследовательского института (Institut National de la Recherche Scientifique, INRS) университета Квебека, Канада.



Источник

Создано наноэлектрогенератор, позволяющий получить энергию путем сжигания топлива, нанесенного на поверхность углеродных нанотрубок


Группа ученых из Массачусетского технологического института разработала новый метод получения небольшого количества энергии, в котором используется тепло, выделяющееся при сжигании специального топлива, нанесенного на поверхность углеродных нанотрубок. Эта технология, которая не требует использования металлов и токсичных материалов, основана на открытии, сделанном в 2010 году группой профессора Майкла Страно (Michael Strano). Тогда ученым удалось создать проводник из углеродных нанотрубок, который превращался в генератор электрического тока в момент, когда нанотрубки нагревались в определенной области и эта область перемещалась от одного конца нанотрубки к другому.

Для того, чтобы превратить нанотрубку в самодостаточный источник энергии, ученые покрыли ее внешнюю поверхность слоем горючего материала, который поджигается возле одного из концов нанотрубки импульсом электрического тока. В момент, когда это открытие только было сделано, исследователям удалось получить крошечное количество энергии, но усилиями группы профессора Страно и других ученых эффективность этого процесса была увеличена более чем в тысячу раз. И теперь такие элементы с покрытыми топливом углеродными нанотрубками могут выработать энергию, сравнимую с энергией, вырабатываемой химическими батареями сопоставимых размеров.

К сожалению, пока еще рано говорить о появлении "нанотрубочных батареек" на коммерческом рынке. До этого ученым предстоит решить ряд проблем, главной из которых является нестабильная работа нанотрубок в качестве генераторов энергии. Ученые заметили, но пока еще не понимают причин, из-за которых однократный сильный нагрев нанотрубки иногда может произвести один сильный импульс электрического тока, а в других случаях - два импульса меньшей мощности и разного уровня напряжения.

Уровень эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую составляет у нанотрубочного устройства всего 1 процент. С первого взгляда, это ничтожно мало даже по отношению к не блещущим эффективностью солнечным батареям и термоэлектрическим генераторам, тем не менее, это в тысячу раз больше, чем достигнутый прежде показатель эффективности.

В настоящее время топливом, которым покрывают поверхность углеродных нанотрубок, является сахароза, но ученые считают, что использование других горючих веществ поможет поднять общую эффективность преобразования до приемлемого уровня. А размеры такого нанотрубочного источника энергии легко могут быть уменьшены до такого уровня, что его можно будет использовать в качестве источника питания портативной электроники и даже наноразмерных электронных устройств.

Источник