Перспективы развития эвм реферат
Обновлено: 06.07.2024
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
Институт государственного и муниципального управления
Реферат по курсу
”Концепция современного естествознания”
Выполнил: слушатель группы З-21 Копылов О.В.
Проверил: к.х.н., доцент
Будний Игорь Владимирович
Перспективы развития компьютерной техники
Компьютеры на основе ДНК
Проблема — не в новых идеях, а в том,
чтобы избавиться от старых,
которые врастают в тех, кого воспитывали,
как воспитывали большинство из нас,
в каждый уголок наших умов.
В свое время люди верили, что самолет никогда не сможет преодолеть звуковой барьер, так как это должно его разрушить. Но октябрьским утром 1947 г. мир впервые услышал столь привычный сейчас любому летчику хлопок — Чак Инджер на экспериментальном истребителе сумел обогнать звук. Скромного калужского учителя физики Циолковского, разработавшего в начале века проект полета в космос с помощью реактивного двигателя, все считали в лучшем случае наивным мечтателем (а чаще просто сумасшедшим). Но прошло всего полвека, и первые ракеты взмыли в небо, доказав, что скепсис в отношении творческих возможностей человечества совершенно неуместен.
В этом реферате мне хотелось бы описать те перспективы, которые открывает перед нами дальнейшее развитие технологии на имеющейся теоретической базе. Из множества футуристических направлений я опишу всего несколько, но наиболее многообещающих и интересных. Мы увидим, каким ярким и необычным может оказаться наше будущее даже с учетом все тех же объективных пределов. И не стоит это воспринимать просто как занимательную сказку: сравните наши достижения в начале XIX и XX вв. — вы поймете, что самые смелые прогнозы (если они не противоречат фундаментальным законам природы) рано или поздно становятся реальностью.
Однако выход из тупика имеется, причем обеспеченный именно тем, из-за чего мы в нем оказались, — квантовой природой вещества. Исторический призыв Ричарда Фейнмана ответить на вопрос, какие преимущества могут дать вычислительные системы на квантовых элементах, привлек в эту область множество талантливых ученых, что обеспечило ее быстрый прогресс. На сегодняшний день для построения квантового компьютера сделано так много, что можно смело прогнозировать начало его промышленного выпуска уже в первой четверти наступившего века.
Вопреки досужему мнению, при решении большинства задач квантовый компьютер не будет работать быстрее традиционного. Более того, на выполнение одного рабочего хода (понятие тактовой частоты к нему неприменимо) ему понадобится существенно больше времени. Однако для квантового бита (кубита) характерно понятие суперпозиции: кубит в одну единицу времени равен и 0, и 1, а классический бит — либо 0, либо 1. Подобное свойство квантовых частиц одновременно находиться в нескольких состояниях обеспечивает параллелизм квантовых вычислений, что делает их в ряде задач эффективнее используемых сейчас технологий. Например, если квантовая память состоит из двух кубитов, то мы потенциально можем одновременно (!) работать со всеми ее состояниями: 00, 01, 10, 11. Таким образом, если в полупроводниковом процессоре одна операция может изменить до L переменных, то в квантовом регистре преобразуется до 2-1 переменных. А из этого следует, что в случае задачи, идеально использующей его специфику, квантовый компьютер будет в 2 LL /L раз быстрее, чем классический.
На данном этапе известно всего несколько задач, решение которых облегчится с появлением квантового компьютера. Но так как они исключительно важны, их стоит упомянуть.
Исторически первым квантовым алгоритмом стал разработанный в 1995 г. американским математиком Питером Шором из Bell Labs (из ее стен вышло 12 нобелевских лауреатов по физике) алгоритм быстрой факторизации больших чисел. Его появление немало напугало банкиров и генералов от спецслужб, и вот почему. Все современные криптографические системы строятся исходя из предположения, что разложить на простые множители достаточно длинное число невозможно. Для того чтобы решить подобную задачу для N-битового двоичного числа, современным компьютерам требуется 2 N единиц времени. А квантовый компьютер, использующий алгоритм Шора, справится с ней за время N 3 . Так, на поиск ключа к шифру на основе разбиения на простые множители 300-разрядного числа мощнейшая из существующих ЭВМ затратила бы около миллиона лет, а на подобную работу для 1000-разрядного числа ей понадобится 10 25 лет (это время в миллиарды раз превосходит возраст нашей Вселенной). Квантовому же компьютеру на то, чтобы просчитать эту задачу, достаточно всего нескольких часов.
Значительный эффект от параллелизма вычислений квантового компьютера возможен и в такой важной задаче, как организация поиска в несортированной базе данных. Созданный Ловом Гровером, коллегой Шора из Bell Labs, алгоритм в наихудшем случае для нахождения нужного объекта потребует N 1/2 запросов, где N — число записей в базе. То есть если классическому компьютеру для анализа 1000 записей понадобится 1000 же логических шагов, то квантовому вычислительному устройству хватит и 30. Таким образом, количество запросов окажется значительно меньше, чем будет проанализировано переменных. Фантастично, не правда ли?
Р. Фейнман указал на возможность использования квантового компьютера для расчета параметров квантовых систем. Квантовая система — это некоторый объект, свойства и особенности которого описываются квантовыми закономерностями. Типичная задача из этой области — расчет распределения электронной плотности в молекуле. Решить ее при помощи обычного компьютера невозможно из-за экспоненциального возрастания числа состояний системы с увеличением количества частиц. Квантовые же вычислительные устройства, используя возможность одновременной обработки большого числа переменных, будут справляться с ней с легкостью. А это позволит нам, например, моделировать молекулы лекарств, что поможет победить неизлечимые сейчас заболевания.
Вот, в общем-то, и все. Как видите, квантовому компьютеру пока уготована исключительно узкая специализация. Однако вытеснить своего полупроводникового собрата у него все-таки есть шанс. Мы можем рассчитывать на широкое применение квантовых компьютеров в связи с тем, что математики умеют весьма ловко сводить алгоритмы одних типов к другим, равносложным. Так что решение проблемы искусственного интеллекта, новый уровень работы с графикой и видео, прорыв в математическом моделировании — все это может быть обеспечено появлением квантовых вычислительных систем.
Первый практический успех по построению квантового компьютера был достигнут в 1998 г. компанией IBM, сотрудники которой сумели создать двухкубитовую машину из молекулы хлороформа. Продолженные исследования позволили им объявить в 2001 г. о серьезной вехе на пути развития информационных технологий: созданный ими семикубитовый квантовый компьютер решил задачу о факторизации числа 15 при помощи алгоритма Шора, разложив его на 3 и 5.
На сегодняшний день в десятках научно-исследовательских центров по всему миру ведутся работы по реализации квантового компьютера на базе органических молекул и сверхпроводящих колец, на атомах фосфора, встроенных в кремниевую пластину, и квантовом эффекте Холла, джозефсоновском контакте и мессбауэровских ядрах. И хотя пока успехи впечатляют лишь специалистов, вера людей в победу и их целеустремленность заставляют надеяться — будущее будет выиграно нами!
Нанотехнологии и молетроника
Любой из известных нам предметов — всего лишь скопление атомов в пространстве. И будет ли это алмаз или горстка пепла, булыжник или чип компьютера, труха или спелый плод, определяется только способом их упорядочивания. Расположение атомов друг относительно друга порождает такие понятия, как дешевое и драгоценное, обычное и уникальное, здоровое и больное. Наше умение упорядочивать атомы лежит в основе любой технологии. В процессе развития цивилизации люди учились управлять все меньшими и меньшими группами атомов. Мы прошли долгий путь от каменных наконечников для стрел до процессоров, умещающихся в игольном ушке. Но наши технологии все еще грубы, и пока мы вынуждены оперировать большими, плохо управляемыми группами атомов. По этой причине наши компьютеры глупы, машины непрерывно ломаются, молекулы в наших клетках неизбежно приходят в беспорядок, уносящий сначала здоровье, а затем и жизнь. Настоящий же прорыв в эволюции науки произойдет только тогда, когда мы научимся управлять отдельными атомами.
Когда говорят о нанотехнологиях, подразумевается несколько достаточно разрозненных по целям и планируемому времени реализации научных направлений. Одно из них, работающее над качественным переходом традиционной полупроводниковой электроники с микро- на наноуровень, хорошо освещено в периодической литературе. Успехи этих работ значительны уже сегодня, но, ввиду неразрешимости ряда проблем, связанных с размерными эффектами, неизбежно возникающими при достижении транзисторами величины 30—40 нм, очевидна необходимость поиска альтернативной технологии. Одним из вариантов является молекулярная электроника, или молетроника.
Компьютеры на основе ДНК.
Основная идея, которая используется при создании ДНК-компьютеров, следующая: для каждой из переменных (определяющих, например, путь) синтезируется уникальная последовательность оснований; затем, будучи смешаны в достаточном количестве (триллионы молекул), эти переменные соединяются в варианты. Исходя из правила больших чисел, всех вариантов будет приблизительно поровну. Остается только определить, в каком из них переменные не повторяются. Это самая сложная проблема, решаемая при помощи многоступенчатой экстракции, хроматографии и других химических методов.
Преимущество у ДНК-компьютера такое же, как и у квантового: параллелизм вычислений. То есть многие из не решаемых современными вычислительными устройствами проблем (по причине экспоненциальной сложности) будут для него полиномиально сложными, а значит, вполне доступными. В будущем проектировать и создавать ДНК-компьютеры начнут непосредственно в живых клетках, что позволит выполнять в них цифровые программы, взаимодействующие с естественными биохимическими процессами.
Хотя все сказанное похоже на отрывок из фантастического романа, многое из этого уже почти реальность. Первые молекулярные схемы уже существуют, и в текущем десятилетии должно начаться их серийное производство. Первый же полноценный молекулярный компьютер появится, по прогнозам экспертов, в 2015—2020 гг.
В далеких 40-х Джон фон Нейман 4 , создатель концепции современного компьютера, был абсолютно уверен, что повышение тактовой частоты до мегагерц позволит машинам мыслить не хуже человека. Однако шли годы, мощности ЭВМ все возрастали, над проблемой искусственного интеллекта билось все больше народу, создавались специальные языки (Lisp и Prolog) и машинные архитектуры, соответствующие специальности появились во всех университетах, — но научить компьютеры думать так и не удалось.
Правда ИИ нашел свои области применения, став важным повседневным инструментом для решения некоторых типов задач. Что же нужно, чтобы научить компьютер думать?
Читайте также: