Есть ли пределы развития и миниатюризации компьютеров

      Однако, остается еще проблема ввода-вывода информации. Как бы мы не совершенствовали процесс ввода-вывода, описанная модель “предельного” компьютера имеет один принципиальный недочет. Допустим, максимальный размер (например,диаметр) нашего компьютера равен 10 сантиметрам. Поскольку фотоны движутся со скоростью света, то все 1031 битов информации, хранящейся в нашем компьютере, не могут быть “скачаны” из него быстрее, чем за время, требующееся свету для прохождения расстояния в 10 сантиметров – то есть за 3-10 секунды.Значит, максимальная скорость обмена информацией компьютера с внешним миром равна 1041 бит в секунду. А предельная скорость обработки информации, как мы уже выяснили раньше, составляет 1051 бит в секунду, что в десять миллиардов раз быстрее. Таким образом, необходимость связи компьютера с внешним миром, а также отдельных его частей друг с другом может приводить к существенным потерям в скорости вычислений. “Отчасти решить эту проблему можно, заставив куски копьютера работать независимо друг от друга, в параллели”,-отмечает Ллойд.

        Есть ли способ повысить скорость ввода-вывода? ”Да,-говорит Ллойд,-надо уменьшать размера компьютера.” Тогда обмен информацией будет происходить быстрее, а объем памяти станет меньше. При этом доля последовательных операций в компьютере может возрасти, а доля параллельных – уменьшиться.

       Заметим, что до сих пор все наши рассуждения касались только быстродействия предельного компьютера,  но мы забыли о такой важной его характеристике, как память. Существует ли предел запоминающей способности вычислительных систем?

 b)   Предел второй :  память

      Память компьютера ограничена его энтропией, утверждает Сет Ллойд, то есть степенью беспорядка, случайности в системе. [5] В теории информации понятие энтропии – аналог понятия количества информации. Чем более однородна и упорядочена система, тем меньше информации она в себе содержит.

      Величина энтропии  S пропорциональна натуральному логарифму числа различимых состояний системы (W): S =k*ln(W), где    k – постоянная Больцмана. Смысл этого соотношения очевиден: чем больший объем информации вы хотите сохранить, тем больше различимых состояний вам потребуется. Например, для записи одного бита информации необходимо два состояния: включено  и выключено. Чтобы записать два бита, потребуется уже 4 различных состояния, 3 бита - 8,  n битов – 2eN состояний.

      Таким образом, чем больше различных состояний в системе, тем выше ее запоминающая способность.

      Чему равна  энтропия “предельного” квантового компьютера?

Во-первых, она зависит от объема компьютера: чем он больше, тем большее число возможных положений в пространстве могут занимать его частицы. Во-вторых, необходимо знать распределение частиц по энергиям. Для этого  можно воспользоваться готовым расчетом, выполненным еще сто лет назад Максом Планком при решении задачи о так называемом черном теле. Что же мы получим? Оказывается, литр квантов света может хранить  около 1031 битов информации – это в  1020 раз больше, чем можно записать на современный 10-гигабайтный жесткий диск! Откуда такая огромная разница? По мнению Ллойда ,все дело в том, что способ, которым в современных компьютерах записывается  и хранится информация, чрезвычайно неэкономен и избыточен. За хранение одного бита отвечает целый “магнитный домен” – а ведь это миллионы атомов . Таким образом, вновь встает вопрос об уменьшении размеров ЭВМ.

            с ) Перспективы развития квантовых устройств  

      На сегодня существует несколько идей и предложений, как сделать надежные и легко управляемые квантовые биты.  

      И. Чанг развивает идею об использовании в качестве кубитов спинов ядер некоторых органических молекул.

      Российский исследователь М. В. Фейгельман, работающий в институте теоретической физики им. Ландау РАН, предлагает собирать квантовые регистры из миниатюрных сверхпроводниковых колец. Каждое кольцо выполняет роль кубита, а состояниям 0 и 1 соответствуют направления электрического тока в кольце-по часовой стрелке и против нее.[2] Переключать такие кубиты можно магнитным полем.

      В физико-технологическом институте РАН группа под руководством академика К. А. Валиева предложила два варианта размещения кубитов в пролупроводниковых структурах. В первом случае роль кубита выполняет электрон в системе из двух потенциальных ям, создаваемых напряжением, приложенным к мини–электродам на поверхности полупроводника.  Состояния 0 и 1 – положение электрона в одной из этих ям. Переключается кубит изменением напряжения на одном из электродов. В другом варианте ядром является ядро атома фосфора, внедренного в определенную точку полупроводника. Состояния 0 и 1 – направления спина ядра вдоль либо против внешнего магнитного поля. Управление ведется с помощью  совместного действия магнитных импульсов резонансной частоты и импульсов напряжения. [2]

    Таким образом, исследования активно ведутся, и можно предположить, что в самом недалеком будущем – лет через 10 – эффективный квантовый компьютер будет создан.

                      Заключение

 Итак, подведем итоги. На основе анализа существующих научных теорий, приоритетных направлений развития микроэлектроники можно сделать следующие  выводы :

1)     Дальнейший прогресс компьютерной техники, бесспорно, возможен.

Он будет двигаться в направлении дальнейшей миниатюризации ЭВМ с одновременным увеличением ее быстродействия .

2)     Современные полупроводниковые компьютеры скоро исчерпают свой потенциал, и даже при условии перехода к трехмерной архитектуре микросхем их быстродействие будет ограничено значением 1015 операций в секунду.

3)  Устройство “компьютеров будущего” будет основано на          

      применении главным образом передовых отраслей широкого спектра   

      научных  дисциплин   (молекулярная  электроника, молекулярная

      биология, робототехника), а также квантовой механики,органической

      химии и др. А для их производства компьютеров будут необходимы 

      значительные экономические затраты, в несколько десятки раз 

      превышающие затраты на производство современных “классических” 

      полупроводниковых компьютеров.

    4)  Разнообразие существующих на сегодняшний момент научных

         разработок в области микроэлектроники, а также  обширности  

 накопленных знаний в области других научных дисциплин (см.выше)

 позволяет  надеяться на создание “суперкомпьютера” в сроки 100-300   

 лет.

    5)  Скорость компьютерных вычислений достигнет значения 1051

 операций в секунду.

    6)  Область применения ЭВМ будет чрезвычайно обширной.

          Они будут:           a) по мере поступления рыночной информации             

            автоматически управлять процессами производства  

            продукции;         b) накапливать человеческие знания и обеспечивать   

             получение необходимой информации в течение нескольких 

             минут;         c) ставить диагнозы в медицине;         d) обрабатывать налоговые декларации;         e) создавать новые виды продукции;         f) регулировать движение всех видов транспорта;         g) вести домашнее хозяйство;         h) вести диалог с человеком и т.д.

              И хотя многие из перечисленных функций могут представляться нам утопическими, все же не следует исключать возможность создания своего рода симбиоза "человек-ЭВМ".

              Лишь после того, как компьютер превратится в пылающий огненный шар либо в микроскопическую черную дыру, прогресс вычислительной техники прекратится. Фантастика? Нет, ”еще одно свидетельство тесной связи физики и теории информации” [5]. Конечно, сегодня мы даже не можем себе представить, как достичь этих невероятных пределов. Однако не стоит отчаиваться. Если развитие ЭВМ будет идти теми же темпами, все описанное станет реальностью через каких-нибудь две сотни лет.

                   Библиография

 1)    Н.Л.Прохоров,К.В.Песелев.Перспективы развития

     вычислительной техники.Книга 5 : Малые ЭВМ.

     М.,Наука.1989.

2)    Л.Федичкин.“Квантовые компьютеры”(c. 24-29). Наука и жизнь.Москва.,издательство “Пресса”.2001.№1.

3)    Р.Фейнман.Моделирование физики на компьютерах //  

Квантовый компьютер и квантовые вычисления : Сб. в 2-х т. – Ижевск : РХД, 1999. Т2, с96-123.

4)    Р.Фейнман.Моделирование физики на компьютерах //  

Квантово-механические компьютеры : Сб. в 2-х т. – Ижевск : РХД, 1999. Т2, с123-156.

5)    А.Шишлова.“Последний из компьютеров” (c. 68-72).

    Наука и жизнь.М.,издательство “Пресса”.2001.№2.

6)    А.Шишлова.”Молетроника.Системы исчисления. Органические материалы в современной микроэлектронике”(c. 64-70).Наука и жизнь.Москва, издательство “Пресса”.2000.№1.

7)New Scientist. Annals of the New York Academy of 

Sciences.2001.№1.

8)  Интернет : http://www.asphi.it/

9)  Интернет http://europa.eu.int/comm/external_relations

1	2	3

Copyright © Radioland. Все права защищены.
Дата публикации: 2004-09-01 (1168 Прочтено)