Fujitsu: ‘Kwantumcomputers zijn nog niet klaar, onze tussenoplossing wel’

Enkele weken geleden verraste Google de wereld met het bericht dat het voor het eerst de status ‘quantum supremacy’ heeft bereikt met zijn machine. Fujitsu lacht vanop afstand en werkt rustig verder aan zijn Digital Annealer, die vandaag beschikbaar is en bepaalde kwantumproblemen grotendeels kan oplossen.

De kwantumcomputer gaat ons leven drastisch veranderen in de toekomst. Iedere expert is het erover eens, maar niemand weet wanneer die toekomst exact is. De ene spreekt over 10 jaar, de andere over 20 jaar of later. Heel wat grote fabrikanten werken dagelijks aan zo’n kwantumcomputer.

Wat in de toekomst kan, is mooi, maar daar ben je vandaag niets mee. Daarom heeft Fujitsu sinds vorig jaar de Digital Annealer op de markt gebracht. Deze computer kan specifieke kwantumproblemen oplossen, zonder dat daarvoor een kwantumcomputer nodig is. Klinkt vreemd, daarom zaten we met David Snelling samen, Program Director AI bij Fujitsu.

Traditionele technologie en QUBO

Hij maakt direct duidelijk dat de kracht van de Digital Annealer in het gebruik van traditionele tech zit, zoals silicon en draden. De processor wordt gebakken in een klassieke fabriek, net zoals bij Intel, AMD of Nvidia. Door de chip specifieke hardwarematige ondersteuning te geven voor heuristische algoritmes leveren, zijn kwantum-geïnspireerde berekeningen mogelijk. Daarom past de unit eenvoudig in een datacenter, vergeleken met de extreme koelfaciliteiten die nodig zijn voor een kwantumcomputer.

Het resultaat is een chip die heel specifieke problemen goed genoeg kan oplossen.

“Het resultaat is een chip die heel specifieke problemen goed genoeg kan oplossen”, zegt Snelling. “Dat klinkt vreemd, maar binnen de zakelijke wereld is goed genoeg eigenlijk al indrukwekkend. Het strategische plan was en is kwantummogelijkheden zo goed mogelijk na-apen met bestaande chipprocessen.”

Om deze werkwijze te begrijpen, is het belangrijk om een QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization) te kennen. Voordat de Digital Annealer zijn kwantumgeïnspireerde taken kan uitvoeren, moet een probleem worden omgebouwd naar een QUBO. Het antwoord van je QUBO is je oplossing. D-Wave, een belangrijke concurrent van Fujitsu, werkt op identiek dezelfde manier.

130.000 kernen

De huidige hardware van de Digital Annealer focust heel sterk op hoog parallellisme om een kwantumstaat (de zogenaamde ‘superposition’) te simuleren. De huidige (tweede) versie van de Digital Annealer heeft een chip die 8.192 bits ondersteunt. Dat geeft 8.192 oplossingen om simultaan naar te kijken. Omdat het om digitale hardware met pipelines gaat, komt Fujitsu in totaal aan 130.000 kernen, die een heel specifiek probleem heel snel kunnen oplossen.

Onze 130.000 kernen in de Digital Annealer zijn veel specifieker dan een klassieke GPU.

“De GPU kon vergeleken met een CPU veel meer parallel werk verrichten dankzij de soms duizenden kernen die beschikbaar zijn”, legt Snelling uit. “Onze 130.000 kernen in de Digital Annealer zijn veel specifieker dan een klassieke GPU, specifiek gericht op de hardwarematige ondersteuning van heuristische algoritmes. Het is een niche die met deze problemen in contact komt, maar je zou ervan versteld staan hoe groot die is.”

D-Wave als concurrent

Behalve Fujitsu is D-Wave de enige grote andere fabrikant die zich focust op dit soort problemen en de zogenaamde QUBO’s. Naar eigen zeggen staat Fujitsu veel verder dan D-Wave, omdat het 64 ‘seams’ van de Digital Annealer kan verwerken, vergeleken met de 7 ‘seams’ van D-Wave. D-Wave werkt echter wel aan een nieuwe machine, de Q5000, waarmee ze van 6-wegconnectiviteit naar 15-wegconnectiviteit gaan. Dat is een gigantische sprong, vergelijkbaar met Fujitsu’s sprong van versie 1 (1.024-bit) naar versie 2 (8.192-bit). Een rechtstreekse vergelijking tussen beide kan Snelling niet geven omdat de D-Wave Q5000 pas vanaf midden 2020 beschikbaar zal zijn.

Een kwantumgeïnspireerde machine zoals de Fujitsu Digital Annealer heeft als doel om lastige heuristische problemen van vandaag zo goed mogelijk op te lossen. Denk daarbij aan het analyseren van verkeerslichten en logistiek.

Fujitsu Digital Annealer

“Een vliegtuig zo optimaal mogelijk inladen met de beste gewichtsverdeling vraagt heel wat complexe berekeningen op klassieke hardware. Daarnaast dien je ook nog eens rekening te houden dat bepaalde onderdelen als laatste moeten worden ingeladen. Je wil niet dat een achter een grote kist wordt geladen terwijl bij aankomst die vorklift de kist eruit moet halen. Het zijn dat soort berekeningen die geknipt zijn voor onze Digital Annealer,” zegt Snelling 

Enkel nog proof-of-concepts

Tot op vandaag gaat het allemaal nog over proof-of-concepts, maar volgens Snelling zijn er al een aantal bedrijven die het dagelijks gebruiken. Welke mag hij helaas vandaag nog niet onthullen, omdat die bedrijven hun concurrentieel voordeel niet bekend willen maken.

De Digital Annealer kan hedendaagse problemen vandaag oplossen binnen bepaalde niches, maar Fujitsu blijft wel verder investeren in een rasechte kwantumcomputer. Het wil klaar staan wanneer de technologie volwassen genoeg is in de toekomst. Zolang dat niet het geval is, is de Digital Annealer een degelijke oplossing in tussentijd.

Kwantumcode die vandaag voor de Digital Annealer wordt geschreven, is later bruikbaar op een echte kwantummachine.

“Kwantumcode die vandaag voor de Digital Annealer wordt geschreven, kan mits minimale aanpassingen later worden gebruikt op een echte kwantummachine. Zo hoef je niet vanaf nul te starten wanneer die machines klaar zijn,” stelt Snelling gerust. “Ik verwacht de komende tien jaar niet dat de kwantumcomputer problemen uit het dagelijks leven kan oplossen. Tot dan zitten we dus goed met onze Digital Annealer.”

Google en IBM die bekvechten

Wie over kwantumcomputers schrijft, kan niet om het feit heen dat Google eerder dit jaar de zogenaamde ‘quantum supremacy’ heeft uitgesproken. In een uitgebreide paper doet de zoekgigant uit de doeken wat het hiermee bedoelt. Ze hebben namelijk een probleem uitgevonden dat hen heel wat informatie geeft over de betrouwbaarheid van een kwantumcircuit.

Dat concept hebben ze eerst simpel gebouwd en steeds uitgebreid tot een complex probleem. De simpele versies werden gevalideerd met traditionele simulatietechnieken: duizenden uren op een grote compute-installatie om de kwantumeffecten te simuleren. Zoiets kan nog met een relatief klein probleem. Daaruit blijkt dat kwantumgroei door complexe gates dezelfde fout-betrouwbaarheid heeft. Omdat je zo’n berekening niet kan doen met een klassieke compute-installatie, roept Google de zogenaamde ‘quantum supremacy’ uit.

IBM was een van de eersten die reageerde dat het met zijn machines wel de berekening zou kunnen uitvoeren, om zo de claim van Google te elimineren. “Het was vervelend van Google om die term uit te spreken. Ik blijft uit het gevecht tussen IBM en Google, maar de paper op zich is wel interessant met heel wat technische resultaten. Ze gebruiken eigenlijk een kwantumcomputer om een kwantumcomputer te begrijpen,” zegt Snelling.

Ik blijft uit het gevecht tussen IBM en Google, maar de paper op zich is wel interessant

“Zoiets vind ik ongelooflijk fascinerend om te begrijpen. Het is een belangrijke evolutie, maar we zijn er nog lang niet.”

Hoe moet het nu verder?

Fujitsu zit vandaag (sinds april 2019) aan de tweede versie van de Digital Annealer met 8.192 bits. Dat was een grote stap in prestaties vergeleken met de eerste versie vorig jaar. Om dezelfde grote stap voorwaarts te zetten, moet er creatief worden gewerkt volgens Snelling.

“We komen van 1.024-bitnaar 8.192-bit, een vermenigvuldiging van acht. Indien we die lijn willen doortrekken, is de volgende stap 65.536-bit. Zo’n stap maken binnen de huidige architectuur, is haast onmogelijk. Een andere architectuur vraagt heel wat ontwikkeltijd, waardoor de kans klein is dat onze derde versie die stap zet.”

“Wat wel kan, is meerdere chips met elkaar verbinden op een low-level-niveau. Zo kan je de rekenkracht verhogen, maar het maakt het wel moeilijker om een lage latency van een paar cycles te houden tussen bits. Wanneer je dat in een cluster gooit, wordt het een lange weg tussen chips in plaats van alles op één chip zelf. Zeg nooit nooit, maar het lijkt me een flinke uitdaging.”

fujitsu digital annealer

Tot slot denkt Snelling dat chips in de Digital Annealer kunnen worden vergezeld door traditionele compute-onderdelen zoals een FPGA of GPU. Die kunnen worden ingezet om de QUBO’s te bouwen en herbouwen. Zo kan je meer iteratief materiaal op een chip verwerken.

Kant-en-klare pakketoplossingen

Fujitsu heeft een hele roadmap uitgetekend voor zijn Digital Annealer en heeft grootse plannen. Vandaag draait het vooral nog rond proof-of-concepts, maar de technologie toont dat het werkt. Nu is het aan de bedrijven om ermee aan de slag te gaan om te zien of het iets voor hen kan betekenen.

Vandaag draait het vooral nog rond proof-of-concepts, maar de technologie toont dat het werkt.

Vandaag kan je nog geen toestel zomaar online kopen en installeren. In de wereld van computationele optimalisaties hebben mensen altijd een compromis moeten sluiten. Dat zorgt ervoor dat geen enkele oplossing dezelfde is. In de toekomst kan er standaardisatie komen met een specifiek portfolio gericht op verticale markten. Vandaag zijn we daar nog niet.

Tegen dan zijn er gespecialiseerde bedrijven die pakketoplossingen kunnen uitwerken. Fujitsu wil daarin samenwerken om zo een totaaloplossing op de markt te brengen. Vandaag is zoiets nog niet mogelijk en moet de oplossing nog meer ervaring opdoen met proof-of-concepts.