Перспективы развития современных компьютеров

Современные компьютеры работают все медленнее, не справляясь с задачами, которые ставит перед ними человек. Ученые уже разрабатывают вероятностные процессоры, молекулярные и биологические, оптические компьютеры иквантовые компьютеры, которые придут на смену устаревшим устройствам.

Главную роль в работе компьютера играют электроны. «Оседая» в ячейках памяти и регистрах процессора, они формируют информацию, с которой работает пользователь. Но скорость электронов конечна и не очень велика. И время, которое необходимо электрону для прохождения по системе, становится решающей преградой в дальнейшем повышении производительности компьютеров.Выход можно найти либо в уменьшении размеров устройств, либо в новом подходе к их системам. И поскольку уменьшать размеры компьютера бесконечно нельзя - в ход идут новые алгоритмы работы и попытки заменить электроны другими частицами.

К новым технологиям, применяемых для процессоров на базе электронов относятся вероятностные процессоры и технологии использования дополнительных процессоров в помощь к центральному процессору.

Для задач, связанных с вычислением вероятностей, инженеры американской компании Lyric Semiconductor предлагают использоватьпроцессоры, работающие на принципах байесовской вероятности. В подтверждение этого компания Lyric Semiconductor уже создала первыйвероятностныйпроцессор. Такиепроцессорымогут применяться в поисковых системах, биржевого прогнозирования и системах финансового моделирования, обработки медицинских и биологических данных.Новая технология позволяет распределить нагрузку между узлами системы, увеличить производительность и сократить время выполнения поставленных задач.

Принцип распределения нагрузки используют при обработке больших массивов данных. При таком подходе множествокомпьютеров, связанных между собой, работают как единая система. Например, самый мощныйпроцессорна сегодня имеет пиковую производительность в 24 TFlop/s, в то время как распределенная система научно-исследовательского вычислительного центра МГУ имеет пиковую производительность 420 TFlop/s.

Также для повышения скорости вычислений все больше начинают использовать процессоры видеокарт. Преимущество в скоростиграфическим процессорам дает архитектура, разработанная именно для вычислительных операций. Используя специальное программное обеспечение, можно перенаправить основную вычислительную нагрузку с CPU на GPU.

Тем не менее все ближе то время, когда кремниевыепроцессорыне смогут справляться с поставленными задачами, даже с учетом распределения нагрузок и использования архитектур графических и дополнительныхпроцессоров. Выход может быть найден в концептуально новых системах, не ограниченных скоростью электронов.

Попытки заменить электроны в процессоре на другие частицы привели к разработке молекулярных устройств, оптических иквантовыхкомпьютеров, а также ДНК-компьютеров. Сложность разработки таких систем заключается в необходимости перестроения всех основных узлов – центральногопроцессора, элементов памяти, устройств ввода и вывода.

Молекулярные компьютеры. В основемолекулярныхкомпьютеровлежат бистабильные молекулы, которые могут находится в двух устойчивых термодинамических состояниях. Каждое такое состояние характеризуется своими химическими и физическими свойствами.Переводить молекулы из одного состояния в другое можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрических и магнитных полей. По сути, эти молекулы являются транзисторами размером в несколько нанометров.

Благодаря малым размерам бистабильных молекул можно увеличить количество элементов на единицу площади. Другим достоинством молекул является малое время отклика, которое составляет порядка 10^-15с. Сами бистабильные переключатели управляются световыми, электрическими импульсами или электрохимическими реакциями. Соединяют функциональные элементы нанотрубки или сопряженные полимеры.

Компания Hewlett–Packard объявила о первых успехах в изготовлениикомпонентов, из которых могут быть построены мощные молекулярные компьютеры. Ученые изHP и Калифорнийского университета в Лос–Анджелесе(UCLA) объявили о том, что им удалось заставить молекулы ротаксана переходить из одного состояния в другое– по существу, это означает создание молекулярного элемента памяти.

Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей, способных выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Весь такой компьютер может состоять из слоя проводников, проложенных в одном направлении, слоя молекул ротаксана и слоя проводников, направленных в обратную сторону. Конфигурациякомпонентов, состоящих из необходимого числа ячеек памяти и логическихключей, создается электронным способом. По оценкам ученыхHP, подобныйкомпьютер будет в100 млрд раз экономичнее современных микропроцессоров, занимая во много раз меньше места.

Сама идея этих логических элементов не является революционной: кремниевые микросхемы содержат миллиарды таких же. Но преимущества в потребляемой энергии и размерах способны сделать компьютеры вездесущими.

Молекулярный компьютер размером с песчинку может содержать миллиардымолекул. А если научиться делать компьютеры не трехслойными, а трехмерными, преодолев ограничения процесса плоской литографии, применяемого дляизготовления микропроцессоров сегодня, преимущества станут еще больше.

Биокомпьютеры. Другой тип компьютеров нового поколения также основан на молекулах, но уже молекулах ДНК. Впервые ДНК–вычисления были проведены в 1997 г. Леонардом Эдлеманом, профессором Университета Южной Калифорнии, для решения задачи торгового агента (поиск кратчайшего пути обхода графа, состоящего из 7 вершин). В ДНК-компьютерахроль логических вентилей играют подборки цепочек ДНК, которые образуют друг с другом прочные соединения. Для наблюдения состояния всей системы в последовательность внедрялись флуоресцирующие молекулы. При определенных сочетаниях свечения молекул подавляли друг друга, что соответствовало нулю в двоичной системе. Единице же соответствовало усиленное свечение флюоресцентов. Можно строить последовательности цепочек, в которых выходной сигнал одной цепочки служит входным сигналом другой.

Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки. Пока эточашка Петри, наполненная спиралями ДНК, или нейроны, взятые у пиявки иподсоединенные к электрическим проводам. По существу, наши собственныеклетки– это не что иное, как биомашины молекулярного размера, а примеромбиокомпьютера, конечно, служит наш мозг.

Главное достоинство такогокомпьютера- работоспособность внутри тела человека, что дает возможность, например, осуществлять подачу лекарства там, где это необходимо. Также такие компьютеры позволят моментально производить идентификацию заболеваний в организме.

В последнее время ДНК привлекает к себе всё больше внимания как альтернатива традиционным накопителям. Её преимущества в её емкости: например, Европейская организация по ядерным исследованиям(ЦЕРН), оперирующая небезызвестным Большим адронным коллайдером, ежегодно производит 15 петабайт информации. Сколько для этого нужно жёстких дисков, или CD, или магнитной плёнки, можете подсчитать сами. А вот ДНК для этого понадобится всего около 7 граммов — если, конечно, воспользоваться методом кодирования, предложенным группой исследователей изЕвропейской молекулярно-биологической лаборатории в Гейдельберге.

Носители информации на основе ДНК могут стать не только более вместительными, но и более надёжными, чем привычные нам винчестеры и компакт-диски. Но пока что главной проблемой таких ДНК-информационных манипуляций остаётся их высокая стоимость. Кодирование в ДНК одного мегабайта обошлось в 12 400 долларов. Ещё 220 долларов понадобятся для изымания этого мегабайта из ДНК обратно. Впрочем, сами исследователи убеждены, что метод со временем подешевеет, и уже через полвека с его помощью можно будет, например, обрабатывать большие массивы важной, но редко используемой информации (вроде тех же данных с БАК).

Оптические (фотонные) компьютеры. По сравнению с тем, что обещают молекулярные или биологические компьютеры, оптические ПК могут показатьсяне очень впечатляющими. Такой компьютер работаетна оптических процессах, и все операции в нем выполняются посредством манипуляции оптическим потоком. Преимущества такого компьютера заключаются в свойствах световых потоков. Скорость их распространения выше, чем у электронов, к тому же взаимодействие световых потоков с нелинейными средами не локализовано, а распределено по всей среде, что дает новые степени свободы (по сравнению с электронными системами) в организации связей и создании параллельных архитектур. Производительность оптического процессора может составлять 10¹³-10¹⁵операций в секунду. На сегодняшний день есть прототипы оптических процессоров, способные выполнять элементарные операции, но полноценных и готовых к производству компьютеров нет.

Испанские ученые под руководством профессора Дэниела Бруннера, сделали прорыв на пути создания совершенных компьютеров будущего. Они собрали действующий прототип фотонного компьютера, оснащенного системой самообучения. Устройство работает по принципу нейронной сети, выполняя несколько параллельных вычислений в одной закрытой системе со скоростью 1 Гб/сек.

Новейшая интеллектуальная система позволяет компьютеру распознавать слова в человеческой речи с рекордной скоростью – около 300 тысяч слов в секунду.Производительность компьютера при выполнении более традиционных задач – расчете статистических функций – оказалась еще более внушительной: порядка 13 миллионов операций в секунду.

Компьютер прошел два тестовых задания. Он должен был распознать человеческую речь и предсказать хаотичность временных рядов. В первом эксперименте фотонный компьютер должен был распознать названные цифры. Результаты исследования поразили ученых – погрешность компьютера не превысила 0,1%, а в случае предсказания хаотических временных рядов – не более 10%.

Фотонный компьютер не только быстр, но и тратит в 200 раз меньше энергии по сравнению с обычной транзисторной машиной на тот же объем вычислений.

Специалисты подчеркивают, что о создании полноценных фотонных компьютеров и, тем более, о начале их массового использования на практике говорить пока рано. Тем не менее, последние достижения в соответствующих областях науки позволят смотреть в будущее «с оптимизмом».

Квантовые компьютеры. Квантовыйкомпьютерсостоит из компонентов субатомного размера и работает по законам квантовой механики. Квантовый мир– очень странное место, в котором объекты могут занимать два разных положения одновременно. Но именно этастранность и открывает новые возможности. Например, для выполнения операцийквантовыйкомпьютериспользует не биты, а кубиты (q-биты) - квантовые аналоги битов. В отличие от битов, кубиты могут одновременно находится сразу в нескольких состояниях «включено», «выключено» и в переходном состоянии. Такое свойство кубитов позволяетквантовомукомпьютеруза единицу времени проводить больше вычислений. 32 кубита могут образовать свыше 4 млрд комбинаций– вот истинный пример массово-паралельного компьютера. Однако, чтобы q-биты работали в квантовом устройстве, они должны взаимодействовать между собой.

Теоретики утверждают, что компьютер, построенный на принципах квантовой механики, будет давать точные ответы, исключая возможность ошибки. Так как в основе квантовых вычислений лежат вероятностные законы, каждыйq-бит на самом деле представляет собой и«1», и «0» с разной степенью вероятности. В результате действия этих законов менее вероятные(неправильные) значения практически исключаются.

Область примененияквантовогокомпьютера– переборные задачи с большим числом итераций.Потенциал же килокубитногоквантовогокомпьютера огромен. Он сможет за минуты просчитывать данные, на которые у нынешних систем уйдут годы, а то и десятилетия. С точки зрения информационной безопасности, как только будет построенквантовый компьютер, все системы защиты данных с открытым ключом рухнут, так как квантовый алгоритм позволяет быстро взломать коды. Самый производительный современный компьютер, если и решит эту задачу, то за несколько лет.

Над созданием квантового компьютера работают в лабораториях всего мира, в том числе и российских. Цель - создать квантовый компьютер, оперирующий 1000 кубитами, с возможностью его «масштабируемости».

В 2007 г. канадская компания D-Wave создала образец квантового компьютера, состоящего из 16 кубитов. В 2011 эта же компания создала компьютер D-Wave One на базе 128 кубитного процессора. В 2012 г. представила компьютер, процессор которого объединяет 512 кубитов.

В мае 2013 г. были проведены тесты для сравнения вычислительных возможностей квантового компьютера D-Wave One и 4-х процессорного ПК на основе чипа Intel2,4 с частотой 2,4 ГГц и объемом оперативной памяти 16 Гб. Первая задача, подходящая под структуру процессора была выполнена D-Wave One за 0,5 сек, ПК с процессором Intelза 30 мин. Второй тест потребовал специальной программы для перевода задачи на язык компьютера D-Wave One и скорость вычислений 2-х компьютеров приблизительно равна. В третьем тесте компьютер D-Wave One за 30 мин нашел решение 28 из 33 заданных задач, компьютер на основе чипа Intel нашел решение 9 задач.

Квантовый компьютерне будет конкурентом нынешним ЭВМ, скорее, он предназначен для решения задач с огромным количеством исходной информации и большим числом переменных. Такие задачи характерны для систем криптографии и безопасной передачи данных, биологии и медицины, моделирования квантовых систем, оптимизации различных процессов.

Уже к концу 2013 года система искусственного интеллекта, работающего на новой модели квантового компьютера компании D-Wave, окажет существенную помощь ученым НАСА, занимающимся поиском и изучением далеких миров. Так же на основе этой же системы искусственного интеллекта специалисты компании Google собираются создать новые квантовые алгоритмы высокоэффективной поисковой системы. Американское космическое агентство и компания Google присоединились к растущему списку клиентов канадской компании D-Wave, которые в ближайшее время начнут использовать последнюю модель квантового суперкомпьютера D-Wave Two.

Успех квантовых компьютеров D-Wave не означает, что квантовые компьютеры в скором времени заменят ноутбуки или обычные компьютеры, стоящие на столах у большинства людей. Квантовые компьютеры D-Wave демонстрируют высокую производительность при решении достаточно узкого круга задач, к которому повседневные задачи, выполняемые обычными компьютерами, не имеют ни малейшего отношения.

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов

1. Перечислите классы, на которые подразделяются вычислительные машины по принципу действия?

2. Перечислите элементные базы, на основе которых строились компьютеры с 1-го по 4- е поколения.

3. В чем заключаются принципы Джона фон Неймана?

4. Когда появился первый персональный компьютер компании IBM? Какой процессор был в нем установлен? Кто разработал программное обеспечение для него?

5. Перечислите классы, на которые подразделяются вычислительные машины по назначению.

6. Дайте общую характеристику и определите область использования мэйн– фреймов.

7. К какому классу микрокомпьютеров относятся рабочие станции и серверы?

8. К какому классу микрокомпьютеров относятся персональные компьютеры?

9. Какими качествами обладают персональные компьютеры?

10. Какие персональные компьютеры каких фирм вы знаете?

11. Перечислите виды ПК.

12. Дайте характеристику ноутбуков. Виды ноутбуков.

13. Дайте характеристику планшетных ПК.

14. Дайте характеристику карманных ПК.

15. Тенденции развития компьютерной техники.

16. Особенность молекулярных компьютеров.

17. Особенность биокомпьютеров.

18. Особенность оптических компьютеров

19. Особенность квантовых компьютеров.