История вычислительной техники

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов  привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) — ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 году фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров, создав первые персональные компьютеры - IBM PC.   Персональный  компьютер, специально созданный для работы в однопользовательском режиме. Появление персонального компьютера прямо связано с рождением микрокомпьютера. Очень часто термины «персональный компьютер» и «микрокомпьютер» используются как синонимы. (3, с.24-25)

Персональный компьютер - настольный или портативный компьютер, который использует микропроцессор в качестве единственного центрального процессора, выполняющего все логические и арифметические операции. Эти компьютеры относят к вычислительным машинам четвертого и пятого поколения. Помимо ноутбуков, к переносным микрокомпьютерам относят и карманные компьютеры - палмтопы. Основными признаками персонального компьютера являются шинная организация системы, высокая стандартизация аппаратных и программных средств, ориентация на широкий круг потребителей.

         С развитием полупроводниковой техники персональный компьютер, получив компактные электронные компоненты, увеличил свои способности вычислять и запоминать. А усовершенствование программного обеспечения облегчило работу с ЭВМ для лиц с весьма слабым представлением о компьютерной технике. Основные компоненты: плата памяти и дополнительное запоминающее устройство с произвольной выборкой (РАМ); главная панель с микропроцессором (центральным процессором) и местом для РАМ; интерфейс печатной платы; интерфейс платы дисковода; устройство дисковода (со шнуром), позволяющее считывать и записывать данные на магнитных дисках; съемные магнитные или гибкие диски для хранения информации вне компьютера; панель для ввода текста и данных. 

          Сейчас ведутся интенсивные разработки ЭВМ пятого поколения. Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография). Ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработки всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с первого по четвертое поколения стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ пятого поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие «интеллектуализации» компьютеров - устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволит общаться с ЭВМ всем пользователям, даже тем, кто не обладает специальных знаний в этой области. ЭВМ будет помощником человеку во всех областях. (9, с.28-31.)

        Глава 2 Перспектива развития вычислительной техники

2.1. Производство квантовых компьютеров: технологические пределы и перспективы

   К сегодняшнему дню стремительный прогресс в развитии компьютерной техники за последние десятилетия невольно заставляет задуматься о будущем компьютеров. Останутся ли они прежними или изменятся до неузнаваемости? В настоящее время много говорят о том, что традиционные полупроводниковые ЭВМ скоро себя исчерпают. Ожидается, что уже через 5–10 лет их вытеснят более мощные молекулярные, квантовые, биологические и другие более экзотические вычислительные устройства. Вообще теория квантовых компьютеров – одна из современных ветвей квантовой механики и теории квантовых вычислений. Квантовая механика – это теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер ) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, c физическими величинами, непосредственно измеряемых в макроскопических опытах. Прототипы квантовых компьютеров существуют уже сегодня. Правда, пока что экспериментально удается собирать лишь небольшие регистры, состоящие всего из нескольких квантовых битов. Так, недавно группа, возглавляемая американским физиком И. Чангом (IBM), объявила о сборке 5-битового квантового компьютера. Несомненно, это большой успех. К сожалению, существующие квантовые системы еще не способны обеспечить надежные вычисления, так как они либо недостаточно управляемы, либо очень подвержены влиянию шумов. Однако физических запретов на построение эффективного квантового компьютера нет, необходимо лишь преодолеть технологические трудности.                                                                                                                             К таким пределам можно отнести следующие:

1) Предел первый: быстродействие 

          Все логические операции, осуществляемые компьютером, основаны на переключении битов между условными значениями «0» и «1», которым отвечают два устойчивых физических состояния. Во всех случаях скорость переключения битов и быстродействие вычислительного устройства определяются тем, насколько быстро протекает соответствующий физический процесс. Времена процессов переключения, как правило, очень малы (от 1 до 10 ^-15 секунды). И все же они конечны. С точки зрения квантовой механики, утверждает физик из Массачусетского технологического института Сет Ллойд, скорость вычисления ограничена полной доступной энергией. В 1998 году это положение было теоретически доказано математиками из Массачусетского технологического университета Норманом Марголусом и Львом Левитиным. Им удалось показать, что минимальное время переключения бита равно одной четверти постоянной планка, деленной на полную энергию: 1h/4E. Таким образом, чем больше энергия компьютера, используемая им для вычислений, тем быстрее он считает. По мнению Ллойда, «предельный» компьютер – это такой компьютер, вся энергия которого будет расходоваться только на вычислительный процесс.                                          По сравнению с предельным компьютером Ллойда нынешние ЭВМ – просто черепахи : при тактовой частоте порядка 500 мегагерц типичный современный компьютер выполняет лишь 10 ¹² операций в секунду. Предельный компьютер работает в 10 ³⁹ раз быстрее. А если он будет весить не килограмм, а тонну, быстродействие возрастет еще в 1000 раз.                                                            

         Надо выяснить в чем же медлительность современных ЭВМ. Все дело в том, считает Ллойд, что полезную работу в них совершают лишь электроны, перемещающиеся внутри транзисторов. Что касается основной массы компьютера, то она не только не используется как источник энергии, но, напротив, препятствует свободному движению носителей зарядов. Единственная ее функция – поддерживать ЭВМ в стабильном состоянии. Стоит задуматься тогда как избавится от бесполезной массы. Надо превратить ее в кванты электромагнитного излучения - фотоны, которые, как известно, не имеют массы покоя. Тогда вся энергия, запасенная в массе, перейдет в энергию излучения, и компьютер из неподвижного серого ящика превратится в светящийся огненный шар. Как ни странно, но именно так может выглядеть предельный компьютер, считает Ллойд. Его вычислительная мощность будет огромна: менее чем за одну наносекунду он сможет решать задачи, на которые у современных ЭВМ ушло бы время, равное жизни вселенной.

        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 десять сантиметров. Поскольку фотоны движутся со скоростью света, то все 10 ³¹ 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 10 ⁴¹ бит в секунду. А предельная скорость обработки информации, как мы уже выяснили раньше, составляет 10 ⁵¹ 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. Можно повысить скорость ввода-вывода, 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.

2)Предел второй: память                                                                                  

         Память компьютера ограничена его энтропией, утверждает Сет Ллойд, то есть степенью беспорядка, случайности в системе. 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, можно отметить 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. Оказывается, литр квантов света может хранить около 10 ³¹ битов информации – это в 10 ²⁰ раз больше, чем можно записать на современный 10-гигабайтный жесткий диск. 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. (17, с. 134-145)

3) Перспективы развития квантовых устройств

          В ноябре 2009 года физикам из Национального института стандартов и технологий в США впервые удалось собрать программируемый квантовый компьютер, состоящий из двух кубит. Канадская компания D -Wave заявила в феврале 2007 года о создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion). Однако информация об этом устройстве не отвечала строгим требованиям точного научного сообщения; новость не получила научного признания. Более того, дальнейшие планы компании (создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер) вызвали скепсис у членов экспертного сообщества. В ноябре 2007 года та же компания D-Wave продемонстрировала работу образца 28-кубитного компьютера онлайн на конференции, посвященной суперкомпьютерам. Данная демонстрация также вызвала определенного рода недоверие. В декабре 2008 года компания организовала проект распределенных вычислений (Adiabatic QUantum Algorithms), в котором тестируются алгоритмы, оптимизирующие вычисления на адиабатических сверхпроводящих квантовых компьютерах D-Wave. (21, с. 56-57.)

2. Научные разработки молекулярных компьютеров

        Основные компоненты молекулярного компьютера должны быть теми же, что и у обычного компьютера: система ввода информации, вычислительный блок (процессор), система хранения информации (память) и, наконец, система вывода информации. Ну и, конечно, провода и блок питания.  Процессор, по всей видимости, будет состоять из молекулярных логических элементов. Приведем несколько примеров уже существующих на данный момент разработок:               1) В качестве триггеров удобнее всего использовать молекулы, имеющие изомерные формы, которые обладают одинаковой молекулярной массой и составом, но различаются строением или расположением атомов в пространстве. Некоторые из них можно переводить из одной формы в другую путем внешнего воздействия. Например, молекула соединения типа спиробензипирана может быть переключена из состояния «0» в состояние «1» с помощью ультрафиолетового излучения, а в обратном направлении с помощью света видимого диапазона. На основе такого триггера можно строить как устройства оперативной памяти, так и элементы, выполняющие логические функции.            2) В последнее время в нескольких научных центрах разработаны и запатентованы переключающие элементы на зеркально симметричных -хиральных  изомерах, которые также могут применяться для хранения и обработки информации: функции логических «0» и «1» выполняют «правая» и «левая» формы молекулы. Переключение такого триггера, называемого хироптическим, из одного состояния в другое производится при одновременном действии света и электрического поля: свет сообщает молекуле энергию, а электрическое поле задает направление переключения.                                                  3)   Недавно компания Hewlett-Packard объявила о своих успехах в изготовлении логических вентилей на основе молекул ротаксанов. Такой вентиль состоит из молекул двух типов: циклической (так называемой «бусины») и линейной («нити»). В работающем устройстве «бусина» оказывается нанизанной на «нить», располагаясь на ней в одном из двух возможных устойчивых положений. Переход из одного положения в другое, то есть переключение вентиля, происходит за счет изменения кислотно-щелочного баланса среды. Такой переход является обратимым, и им можно управлять с помощью электрических сигналов. В процессе переключения значительно сдвигается полоса поглощения света молекулами ротаксанов, что дает возможность считывать информацию оптическим способом. Молекулы ротаксанов могут быть объединены в полимерные цепи различной длины и сложности, которые будут выполнять логические функции за счет передачи сигнала переключения вдоль цепей.           4) Рассмотрим еще один вариант молекулярных устройств, способных выполнять логические операции. Представим себе длинную молекулу, состоящую из двух типов чередующихся структурных группировок, одни из которых служат потенциальными ямами, а другие - потенциальными барьерами для прохождения электрона вдоль молекулы. Таким образом, эта молекулярная цепочка представляет собой «полосу препятствий» для электрона. Исходное состояние молекулы задается так, что электрон может легко пройти ее (за счет эффекта резонансного туннелирования). Однако стоит только воздействием на одну из группировок изменить высоту барьера или глубину ямы, - и прохождение электрона станет невозможным. Допустим, наша молекула имеет четыре потенциальные ямы, глубиной которых мы можем управлять путем оптического или электрического взаимодействия. Тогда она способна работать как логичекий элемент НЕ-И с четырьмя входами. То есть электрон через молекулярную цепочку будет проходить только в те моменты, когда сигнал на всех четырех входах отсутствует.

         Первые опыты с молекулярными устройствами еще не гарантируют появления таких компьютеров, однако это именно тот путь, который предначертан всей историей предыдущих достижений. Массовое производство действующего молекулярного компьютера вполне может начаться где-нибудь между 2005 и 2015 годами. (15, с. 75-80.)

3. Будущее молекулярных компьютеров

         Молекулярные компьютеры - вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно, органических). Молекулярными компьютерами используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.   

         Хотя теоретические основы молетроники уже достаточно хорошо разработаны и созданы прототипы практически всех элементов логических схем, однако на пути реального построения молекулярного компьютера встают значительные сложности. Внешне очевидная возможность использования отдельных молекул в качестве логических элементов электронных устройств оказывается весьма проблематичной из-за специфических свойств молекулярных систем и требований, предъявляемых к логическим элементам. В первую очередь логический элемент должен обладать высокой надежностью срабатывания при подаче управляющего воздействия. Если рассматривать оптическую связь между элементами, то в системе одна молекула - один фотон надежность переключения будет невелика из-за относительно малой вероятности перехода молекулы в возбужденное состояние. Можно пытаться преодолеть эту трудность, используя одновременно большое число квантов. Но это противоречит другому важному требованию: КПД преобразования сигнала отдельным элементом должен быть близок к 1, то есть средняя мощность реакции должна быть соизмерима со средней мощностью воздействия. В противном случае при объединении элементов в цепь вероятность их срабатывания будет уменьшаться по мере удаления от начала цепи. Кроме того, элемент должен однозначно переключаться в требуемое состояние и находиться в нем достаточно долго – до следующего воздействия. Для сравнительно простых молекул это требование, как правило, не выполняется: если переходом в возбужденное состояние можно управлять, то обратный переход может происходить спонтанно. При использовании больших органических молекул или их комплексов, в принципе, можно обойти перечисленные трудности. Эффективной работы будущего компьютера можно достичь, комбинируя принципы молетроники и комбинированных вычислений, применяемых в суперкомпьютерах. Эффективность не уменьшится, даже если отдельный молекулярный вычислительный элемент и не будет обладать надежностью своих кремниевых предшественников. Для этого надо заставить несколько молекулярных логических элементов работать параллельно. Тогда неправильное срабатывание одного их них не приведет к заметному сбою в вычислениях. Радует то, что современный суперкомпьютер, работающий по принципу массивного параллелелизма и имеющий многие сотни процессоров, может сохранить высокую производительность даже в том случае, если 75 прпоцентов из них выйдет из строя. Практически все живые системы используют принцип параллелелизма. Поэтому несовершенство организмов на уровне отдельных клеток или генов не мешает им эффективно функционировать. В компьютере есть и другие замечательные функции: