Какие бывают процессоры И для чего они нужны

ГРАФИЧЕСКИЕ ЧИПЫ

Грандиозным скачком в развитии искусственного интеллекта человечество обязано… компьютерным играм — ​ведь это ради них создали графические процессоры. Требования к уровню графики стремительно росли, и для обсчета фотореалистичных теней, текстур и фонов разработали специальные чипы. Они менее универсальны, чем центральные процессоры, зато позволяют прогонять большие объемы данных через одну и ту же череду сложений и умножений, разделяя их на множество одновременно обрабатываемых потоков. Оказалось, именно этого не хватало для революции в машинном обучении. Так что за каждым метким ответом Алисы стоит человек, положивший годы своей юности на World of Tanks.

ТЕНЗОРНЫЕ ЧИПЫ

Если на графических чипах так хорошо обучаются нейросети, то что же будет, если создать специальную архитектуру именно для обучения нейросетей? Так появились тензорные процессоры, которые заточены под специфику Deep Learning (глубокого машинного обучения). Как и в графических процессорах, здесь пришлось отказаться от универсальности чипа и сложных операций. Кроме того в тензорных процессорах пожертвовали разрядностью чисел: вместо обычных 32 или 64 бит числа здесь представляются 8 битами. Это позволяет на порядок увеличить скорость обучения нейросети, не теряя при этом в качестве результата.

ЧИПЫ с СОКРАЩЕННЫМ НАБОРОМ КОМАНД

Давным-давно ученым приходилось писать программы на языке машинных кодов и базовых операций. Теперь есть сотни языков программирования, созданных специально, чтобы людям было удобно. А значит, с другой стороны, машинные коды можно оптимизировать под быстродействие процессора, а не под понимание человеком. Эта идея лежит в основе RISC (Reduced Instruction Set Computer) — ​компьютера с сокращенным набором команд. Много ли даст одна лишь замена «словаря»? Достаточно посмотреть на чип Apple M1, который едва успел выйти на рынок, а уже стал легендарным. У ARM-процессоров (Advanced RISC Machine, усовершенствованная RISC-машина) выше производительность и заметно ниже электро­потребление, поэтому сейчас их используют везде, от PlayStation до AirPods.

КВАНТОВЫЕ ЧИПЫ

Самая загадочная и перспективная разновидность чипов. Вместо битов данных QC-чипы (Quantum Computing) используют кубиты. Подобно коту Шредингера, кубит ни жив, ни мертв, ни ноль, ни единица, а находится в обоих состояниях одновременно — ​суперпозиции. Для работы таких процессоров нужно поддерживать температуру, близкую к абсолютному нулю. Чип помещают в криостат, температура внутри которого равняется 0,01 К. И это холоднее, чем где-либо во Вселенной, которую реликтовое микроволновое излучение, оставшееся от Большого взрыва, всегда подогревает минимум до 2,7 К. В 2019 году инженеры Google заявили, что достигли кв антового превосходства: они создали компьютер с 53 кубитами, который за 200 секунд решил задачу, на которую у обычного компьютера ушло бы 10 000 лет.

ЧИПЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

У обычного робота 99 % вычислительного времени уходит на обнаружение препятствий. Это замедляет автоматизацию производств. Для того чтобы обеспечить реакцию роботов на экстренную ситуацию, создали специальную ветку Real-Time ARM-чипов, работающих в реальном времени. В них дублируются многие контуры работы с памятью и вычислениями, реализован специальный набор машинных операций и протоколов обмена информацией, призванный сократить время отклика до минимума. Благодаря этому отпадает необходимость изолировать роботов в отдельных боксах от людей, планировать все их движения по строго непересекающимся траекториям. Наоборот, они могут использовать общее пространство, сокращая энерго­затраты и избавляя инженеров от необходимости точной подгонки всего конвейера.

МИКРОФЛЮИДНЫЕ ЧИПЫ

Внутри микрофлюидных чипов по трубочкам текут разные жидкости и вступают в химические реакции при смешивании. Реагенты текут и меняют направление движения под действием программы, а результат считывается автоматически с помощью фотометрии. Несмотря на ограниченную известность, наука под названием «цифровая микрофлюидика» насчитывает уже больше 30 лет. «Лаборатория на чипе» (Lab on Chip, LoC), построенная на этой технологии, производит химические эксперименты на ничтожных дозах реагентов с исключительной точностью. Программистам, которые создают программы для «карманной лаборатории», приходится управлять не битами и байтами, а каплями: их скоростью и направлением движения, объемом и делением на порции.

Читайте также о самом распространенном типе чипов: