Новые вычислительные мощности: квантовые чипы и биокомпьютеры, что дальше?

Интеграция человеческих нейронов и кремниевых чипов, комнаты заполненные серверами, квантовая механика — на что готовы пойти ученые ради лидерства в гонке вычислений?

Вычислительная мощность — ключевой показатель производительности компьютера. Этот параметр измеряется количеством задач, которые может решить система за секунду. Скорость вычислений важна не только для ПК, но и для сложных высокопроизводительных систем, используемых в научных исследованиях, моделировании, управлении базами данных, машинном обучении. Поэтому компания, которая разработает компьютер с наивысшей вычислительной мощью, автоматически становится лидером в мировом технологическом развитии. На сегодняшний день существует несколько направлений в развитии вычислительной техники, о них и поговорим ↓

Суперкомпьютеры

Суперкомпьютерами называют высокопроизводительные вычислительные системы, значительно превосходящие по техническим характеристикам обычные компьютеры. Как правило, такие системы представляют собой множество серверов, соединенных высокоскоростной локальной сетью и одновременно выполняющих вычисления. Самым быстрым суперкомпьютером в 2025 году является El Capitan. Он используется Министерством энергетики США для моделирования ядерных испытаний. El Capitan обрабатывает 1,74×10^18 операций в секунду. Для сравнения: один из первых суперкомпьютеров Cray-1, созданный в 1974 году, мог производить лишь до 133 миллионов операций одновременно. Существенными минусами суперкомпьютеров являются необходимость огромных пространств для размещения всех компонентов, высокое энергопотребление и требование дорогостоящих систем охлаждения.

Квантовые вычисления

Если основной единицей информации в обычном компьютере является бит, который принимает значение 0 или 1, в квантовом компьютере — это кубит, который может одновременно находиться в состоянии 0 и 1. В то время как суперкомпьютеры решают задачи последовательно, квантовые компьютеры выполняют операции параллельно, а значит гораздо быстрее.

Квантовые технологии требуют определенных условий для работы: систему охлаждения, инфраструктуру, выделенные помещения. Но в марте 2025 года ирландская компания Equal1 представили Bell-1 — квантовый сервер, работающий от простой розетки при мощности 1600 Вт. В декабре 2024 года Google выпустили квантовый чип Willow, который уменьшает количество ошибок по мере роста кубитов. Но за крупной маркетинговой компанией, где Google обещал, что чип докажет существование параллельных вселенных и за 5 минут решит задачу, на которую у суперкомпьютера ушло бы миллиарды лет, сложно разглядеть реальный потенциал Willow. Более реалистичные обещания дает компания Microsoft, выпустившая в феврале 2025 года чип Majorana 1. Microsoft делает ставку на снижение уровня возможных ошибок во время вычислений, что в теории поможет при работе со сложными задачами обойти результаты суперкомпьютеров. Чип использует топологическую защиту и кодирует информацию в связях частиц, а не в отдельных кубитах.

Нейроморфные вычислители

Нейроморфные системы имитируют работу человеческого мозга: синтетические нейроны передают данные через электрические импульсы. Такие технологии особенно эффективны в задачах, связанных с ИИ и обработкой данных в реальном времени, так как они способны адаптироваться и обучаться, как и биологические нейроны.

В 2024 году компания Intel в качестве исследовательского прототипа разработала нейроморфный компьютер Hala Point. Он состоит из 1,15 миллиарда нейронов и 1152 процессоров. Его производительность сопоставима с мозгом мелкого млекопитающего, вроде кошки. Более перспективный нейроморфный компьютер, чья вычислительная мощность сопоставима с производительностью человеческого мозга, также был запущен в 2024 году. Deep South воспроизводит 228 триллионов операций в секунду. Создатели компьютера предлагают использовать Deep South как «песочницу» для разработки нейроморфных устройств.

Биокомпьютеры

Биокомпьютеры сочетают в себе искусственно выращенные биологические нейроны и кремниевые компоненты. Первый коммерческий биокомпьютер был представлен в марте 2025 года австралийской командой Cortical Labs. Устройство называется CL1 и содержит сотни тысяч нейронов, выращенных в лабораторных условиях. Благодаря встроенной системе жизнеобеспечения, биологический компьютер поддерживает работу в течение 6 месяцев, после этого нейроны начинают разрушаться. CL1 может быть применен в поиске лекарств для лечения неврологических заболеваниях и прочих медицинских исследованиях. Биокомпьютер умеет адаптивно обучаться, что делает его конкурентом кремниевым ИИ-чипам. Кроме того, компания предлагает возможность приобрести компьютер за 35 000 $ или подключиться к устройству удаленно. Система потребляет всего 850-1000 Вт энергии, может работать автономно, без подключения к сторонним компьютерам. CL1 работает на собственной ОС (biOS) и поддается программированию с помощью API и Python.

Что дальше?

Помимо названных технологий существуют различные гипотетические возможности повысить вычислительные мощности. Например ↓

Оптические или фотонные вычислители

В оптических вычислениях в качестве передатчиков и обработчиков байтов предполагается использовать фотоны, вместо электрических волн, что в теории позволило бы обрабатывать информацию гораздо быстрее. На данный момент существуют лишь прототипы оптических процессоров, например, EnLight Alpha, а разработка компактных фотонных кристаллов затруднительна.

ДНК-вычислители

Один грамм ДНК может хранить до 215 миллионов Гб данных. С помощью молекул ДНК можно кодировать информацию, обрабатывать ее и даже совершать вычисления. В 1994 году Леонард Адлеман смог решить с помощью связей ДНК задачу, имеющую более миллиона потенциальных решений. Синтезированная смесь цепочек ДНК представляла собой все возможные методы решения задачи, а анализ нуклеотидной последовательности нитей позволил вычислить верное решение. Но высокопроизводительные ДНК-компьютеры на сегодняшний день остаются лишь перспективой, ведь управление биохимическими процессами трудоемкий процесс.