Перспективы развития вычислительной техники

 

Развитие вычислительной техники представляет собой постоянно сменяющие друг друга физические способы реализации логических алгоритмов – от механических устройств (вычислительная машина Бэббиджа) к ламповым (компьютеры 40-50-х годов Марк I и Марк II), затем к транзисторным и, наконец, к интегральным схемам. И уже на рубеже XXI века шли разговоры о скором достижении пределов применения полупроводниковых технологий и появлении вычислительных устройств, работающих на совершенно ином принципе. Все это свидетельствует о том, что прогресс не стоит на месте, и с течением времени ученые открывают новые возможности создания вычислительных систем, принципиально отличающихся от широко применяемых компьютеров. Существует несколько возможных альтернатив замены современных компьютеров. Это оптический компьютер, нейрокомпьютер, квантовый компьютер.

Оптический компьютер

Оптический компьютер - это сложная информационная система, в которой носители сигналов не электроны, а фотоны (световой поток). Фотоны - это кванты, т.е. частицы электромагнитного излучения, каковым является и видимый нами свет. Оптический компьютер имеет невиданную производительность и совершенно иную, чем электронный компьютер, архитектуру. Самые скромные оценки показывают, что за 1 такт длительностью менее 1 наносекунды (это соответствует тактовой частоте более 1000 МГц) в оптическом компьютере возможна обработка массива данных порядка 1 мегабайта и более. Самый впечатляющий элемент оптического компьютера - это голографический экран. В отличие от современных электронно-лучевого или жидкокристаллического экранов, голографический экран может иметь произвольный размер - например, во всю стену. Он может быть плоским или объемным. Несмотря на то, что многие принципиальные вопросы на пути создания оптических компьютеров уже решены, построение мощного законченного работоспособного оптического компьютера все еще остается трудной технической проблемой, неразрешимой при нынешнем уровне науки и техники. Специалисты ожидают, что полноценный оптоэлектронный процессор появится к 2010 году.

Оптический компьютер размером с ноутбук даст обычному пользователю возможность разместить в нем едва ли не всю информацию о мире, при этом компьютер сможет решать задачи любой сложности, в том числе такие, с которыми сегодня едва справляются мощные серверы. Специалисты с помощью оптического компьютера смогут обрабатывать данные геологоразведки прямо на месте исследования. Менеджер крупной компании или банка сможет работать с корпоративной базой, не выходя в открытую сеть, сколь велики бы ни были размеры базы данных, эта информация уместится в памяти оптического компьютера.

Нейрокомпьютер

Нейрокомпьютер - устройство переработки информации на основе принципов работы естественных нейронных систем (нейрокомпьютеры - это системы, в которых алгоритм решения задачи представлен логической сетью элементов частного вида - нейронов с полным отказом от булевских элементов типа И, ИЛИ, НЕ).

Три основных преимущества нейрокомпьютеров:

- все алгоритмы нейроинформатики высокопараллельны, а это уже залог высокого быстродействия

- нейросистемы можно легко сделать очень устойчивыми к помехам и разрушениям

- устойчивые и надежные нейросистемы могут создаваться и из ненадежных элементов, имеющих значительный разброс параметров

В нейрокомпьютинге постепенно созревает новое направление, основанное на соединении биологических нейронов с электронными элементами. По аналогии с Software (программное обеспечение — «мягкий продукт») и Hardware (электронное аппаратное обеспечение — «твердый продукт»), эти разработки получили наименование Wetware «влажный продукт». Протезирование («умные протезы») и усиление естественных функций, в том числе — за счёт прямого подключения нервной системы человека к компьютерам (Нейрокомпьютерный).

Квантовый компьютер

Квантовый компьютер — это компьютер, в котором в качестве битов выступают квантовые объекты, например спины электронов или ядер. Такой компьютер станет ещё одним шагом вперёд по сравнению с молекулярным. В квантовом компьютере вместо значений „0“ или „1“, как у классического бита, у нас будет квантовый бит (ку-бит). Кубит может принимать несколько различных значений — нормированных комбинаций двух основных состояний спина, что даёт большое число сочетаний (рис 12). Так, 32 кубита могут образовать около 4 миллиардов состояний, а при наборе из 300 кубитов квантовый компьютер в принципе способен найти 2300 возможных решений — это число примерно равно числу всех элементарных частиц во Вселенной. Уже разработаны алгоритмы для квантовых компьютеров, причём значительный вклад в эту работу внесён отечественными учёными.

Может показаться, что квантовый компьютер — это разновидность аналоговой вычислительной машины. Но это не так: по своей сути это цифровое устройство, но с аналоговой природой.

Основные проблемы, связанные с созданием и применением квантовых компьютеров:

- необходимо обеспечить высокую точность измерений;

- внешние воздействия могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения.

Применение идей квантовой механики уже открыли новую эпоху в области криптографии, так как методы квантовой криптографии открывают новые возможности в области передачи сообщений. Прототипы систем подобного рода находятся на стадии разработки.

Молекулярный компьютер

В 1974 г. IBM получило вещество, молекула которого обладает свойствами диода. Из нее можно сделать аналог транзистора, а из двух - аналог триггера. Переключения из одного состояния в другой осуществляется с помощью света или слабого электрического поля. При этом тактовая частота процессора возрастет до 1 ТГц. Возможно построение белковой памяти, создание ЭВМ на ДНК. Молекулярный компьютер - это устройство, в котором вместо кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы и молекулярные ансамбли. В основе новой технологической эры лежат так называемые «интеллектуальные молекулы». Такие молекулы (или молекулярные ансамбли) могут существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях, каждое из которых имеет свои физические и химические свойства. Переводить молекулу из одного состояния в другое (переключать) можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрического и магнитного поля и т.д. Фактически такие переключаемые бистабильные молекулы — это наноразмерная двухбитовая система, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора.

Вот в общих чертах то, что ждёт нас в ближайшем будущем. Учёные считают, что молекулярные компьютеры будут созданы к 2020–2030 году. Это не значит, что существующее поколение кремниевых компьютеров полностью и сразу отомрёт, просто рядом с ним появится более мощная генерация. А что потом? Спинтроника и компьютеры на квантовых точках, ДНК-компьютеры.

ДНК-компьютер

ДНК-компьютер — вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК.

В 1994 году Леонард Адлеман, профессор университета Южной Калифорнии, продемонстрировал, что с помощью пробирки с ДНК можно весьма эффектно решать классическую комбинаторную «задачу о коммивояжере» (кратчайший маршрут обхода вершин графа). Классические компьютерные архитектуры требуют множества вычислений с опробованием каждого варианта. Метод ДНК позволяет сразу сгенерировать все возможные варианты решений с помощью известных биохимических реакций. Затем возможно быстро отфильтровать именно ту молекулу-нить, в которой закодирован нужный ответ.

Проблемы, возникающие при этом:

- требуется чрезвычайно трудоёмкая серия реакций, проводимых под тщательным наблюдением

- существует проблема масштабирования задачи.

Конечный биоавтомат Шапиро — технология многоцелевого ДНК-компьютера, разрабатываемая израильским профессором Эхудом Шапиро (en:Ehud Shapiro) из Вейцмановского института. Его основой являются уже известные свойства биомолекул, таких как ДНК и ферменты. Функционирование ДНК-компьютера сходно с функционированием теоретического устройства, известного в математике как «конечный автомат» или машина Тьюринга.

Нейроны-улитки

Нейроны-улитки на кремниевом чипе. Нельзя не сказать и о ещё одном направлении научного поиска. В Германии, в Институте Макса Планка, срастили неорганический кремниевый чип с нейронами улитки. Самое главное, что нейроны ответили на импульс, изначально поданный на кремниевую пластину, и наоборот. Уникальное сочетание химии, биологии и физики в полной гармонии!

Нанокомпьютер

Нанокомпьютер — вычислительное устройство на основе электронных (механических, биохимических, квантовых) технологий с размерами логических элементов порядка нескольких нанометров. Сам компьютер, разрабатываемый на основе нанотехнологий, также имеет микроскопические размеры. Теория нанокомпьютеров до сих пор не имеет под собой логических обоснований.

Свой небольшой обзор того состояния, в котором сейчас находятся информационные технологии, хотелось бы закончить словами У. Черчилля, которые он произнёс, конечно, не о молекулярных компьютерах, а о переломе в военных действиях во Второй мировой войне: «Это ещё не конец, это даже не начало конца. Но возможно это — конец начала».

По словам учёных и исследователей, в ближайшем будущем персональные компьютеры кардинально изменятся, так как уже сегодня ведутся разработки новейших технологий, которые ранее никогда не применялись. Примерно в 2020-2025 годах должны появиться молекулярные компьютеры, квантовые компьютеры, биокомпьютеры и оптические компьютеры, которые должны облегчить и упростить жизнь человека ещё в десятки раз! Компьютерная техника развивается с сумасшедшей скоростью и иногда очень сложно уследить или идти за ней в ногу. Но мы можем сказать с полной уверенностью, что высокие технологии – это наше будущее и это успех всего человечества. На этом процесс развития далеко не остановлен.

Вывод: Современные персональные компьютеры, в том виде как мы его знаем, уже практически исчерпал ресурсы для совершенствования. По этому учёные и исследователи считают, что в ближайшем будущем персональные компьютеры кардинально изменятся, так как уже сегодня ведутся разработки новейших технологий, которые ранее никогда не применялись.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Есть несколько вещей, которые вы можете сделать, чтобы сохра­нить ваш ПК в прекрасном рабочем состоянии. Во-первых, нуж­но тщательно проверить новое оборудование во время гарантий­ного периода. Это наиболее важно, особенно если это нечто та­кое, что вы будете использовать достаточно редко. Неисправности электронного оборудования обычно проявляются на ранней ста­дии жизненного цикла изделий.

Чтобы поддерживать ПК в рабочем состоянии, вы должны уметь диагностировать неполадки. Это значит анализировать со­общения POST об ошибках, выполнять диагностические тесты.

Наконец, чтобы избежать неприятностей с ПК, следует соблю­дать различные правила, касающиеся его эксплуатации. Держите компьютер подальше от еды, питья, дыма, периодически очищайте клавиатуру и принтер от пыли и грязи и как можно реже приме­няйте абразивные диски для чистки головок чтения/записи.

 

 

Доцент кафедры организации и конвоирования в УИС

кандидат технических наук

подполковник внутренней службы В.Г. Зарубский