Реферат: Есть ли пределы развития и миниатюризации компьютеров - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

Есть ли пределы развития и миниатюризации компьютеров

Банк рефератов / Радиоэлектроника

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Архив Zip, 48 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

22 Министерство образовани я Российской Федерации Уральский государственный технический университет - У ПИ Факультет экономики и управления Кафедра анализа систем и принятия реш ений Специальность “Прикладная информатика в экономике” РЕФЕРАТ По курсу концепций современного ес тествознания на тему “ Есть ли пред елы развития и миниатюризации компьютеров ?” Студент Озорни н П.Н . (группа И -154) Преподаватель доцент , кандидат техн . наук Глазырина Л.Н. Екатеринбург 2001 Содержание Введение...........................................................с .3 Глава 1 . История развития и перспект ивы молекулярной э лектроники 1.1 “Прошлое” молекулярной схемотехн ики.......................................с .5 1.2 Существую щие научные разработки молекуляр ных компьютеров.............. c .6 1.3 Абстракционное “конструирование” молекулярн ого компьютера................с .7 1.4 Есть л и у молекулярных компьютеров будущее ?...............................................с .10 Глава 2 . Квантовые компьютеры – миф или грядущая реальность ? 2.1 История развития теории квантовых вычислительны х устройств................с .12 2.2 Производство квантовых компьютеров :технологические трудности и перспективы...................с .14 a ) Предел первый быстродействие. .......с .15 b ) Предел второй : память......................с .16 c ) Перспективы развития квантовых ЭВМ .................................................................с .17 Заключение ........................................ .............с .19 Библиография.................................................с .21 Введение Н аучный прогресс движется преувеличенными ожиданиями Жюль Верн Прогноз - дело неблагодарное . Эта набившая оскомину прописная истина со вр еменем не становится менее актуальной . Наобор от - с теч ением времени она подтвержда ется многократно . Да , прогноз - дело неблагодарн ое , но очень любопытное . Всегда интересно хоть краешком глаза заглянуть на несколько лет вперед и посмотреть , какое оно , буду щее . Всевозможные предсказатели существовали на всем п р отяжении человеческой цивил изации . Кто-то предсказывал будущее по снам , кто-то - по картам таро , кто-то - по звезда м . Наиболее известный из оракулов - Нострадамус - облекал свои предсказания в стихотворные формы , известные нам как "Центурии ". Прогно з ы делаются и сейчас . В основном политические , реже - экономические . И уж со всем редко - технологические . Информационные техн ологии за последнее десятилетие в своем р азвитии сделали такой гигантский скачок впере д , что предсказать , каким будет , например , п е рсональный компьютер лет через п ять , мало кто решится. Стремительный прогресс в разви тии компьютерной техники за последние десятил етия невольно заставляет задуматься о будущем компьютеров . Оста нутся ли они прежними или изменятся до неузнаваемости ? Сег од ня много говорят о том , что традиционные полупроводн иковые ЭВМ скоро себя исчерпают . Ожидается , что уже через 5 – 10 лет их вытеснят более мощные молекулярные , квантовые , биологические и другие весьма экзотические вычислительные устр ойства . До каких пор бу ду т уменьшаться размеры вычислительных устройств и возрастать их быстродействие ? Уже более тридцати лет развитие компьютеров подчиняется эмпирическому закону , сформулированному Гордоном Муром в 1965 году , согласно которому плотность транзистор ов на микросх еме будет ежегодно удваи ваться . Правда со временем практика микроэлектронного устройства внесла в него небольшую поправку : сегодня считается , что удвоение числ а транзисторов происходит каждые 18 месяцев . С каждым годом след овать “ закону М ура ” ст анов ится все труднее , п оэтому его близкий конец предсказывался уже неоднократно . Однако человеческий гений и изобретательн ость находят все новые оригинальные выходы из технологических и производственных сложност ей , встающих на пути безудержной “ к омпьютерно й гонки ”. И все же прогресс вычислительной техники не может продолжаться вечно , рано или поздно мы наткнемся на предел , обусловленный как законами природы , т ак и экономич ескими законами . Вот почем у сегодня специалисты в разных областях н ауки и техники и щут альтернативные пу ти дальнейшего развития микроэлектроники . К аков же будет самый последний , самый мощный , ” предельный ” компьютер ? В ряд ли сегодня можно со стопроцентной уве ренностью сказать , как именно он будет устроен , поэтому неудивительно то , чт о вопрос о будущем электронных вычислительных устройств и , в частности , компьютеров до сих пор остается открытым . Поэтому целью данной р аботы является выяснение вопроса о дальнейших возможностях и путях развития ЭВМ . В соответствии с поставле нной целью , за дачами данной работы являются : 1) Анализ ведущих из существующих на сегодняшний день теорий (ко нцепций ) вычислительных устройств (к омпьютеров в частности ) в совокупности с кратким экскурсом в историю их развитию , что , н а наш взгляд, необходимо для составления детальных представлений о задачах , проблемах и метода х их решений в данной теории и тесно связано с возможными вариантами прогресса компьютерной техники на базе данной теории . 2) Прогноз в озможных путей развития ЭВМ на основе рассмотренных теорий . А ктуально сть вышеобозначенно й темы бесспорна : войдя в жизнь человеческого общества , компьютеры взяли на себя огромный круг задач – начиная от простейших алгеб раических вычислений и кончая организацией пр оцессов б иржевой деятельности , международных телеконференций , моделированием сложных физических , химических , технологических процес сов , мультимедийными и виртуальными развлечениями , наконец . Именно благодаря ЭВМ человечество вышло в космос, открыв себе дорогу к ос воению огромных космических пространств , сотен планет и миров . Во многом благодаря ко мпьютерной технике стало возможным появление и развитие таких современных наукоемких отрас лей как молекулярная биология , генная инженерия , квантовая физика и др ., стала во зможным обширная интеграция накопленных научных знаний . И это , бесспорно , не предел . Вопрос лишь в т ом , какие еще функци и сможет взять на себя ЭВМ и как скоро это произойдет . В рамках данной работы мы и попытаемся ответить на данный вопрос , рассмотрев перпективы развития ЭВМ в рамках двух ведущих научных концепций – квантовой механики и молекулярной элект роники (молетроники ). Глава 1 История развития и перспективы молекулярной электроники 1. 1 “ Прошлое ” мол екулярной схемотехники Впервые теория использования органической молекулы в качестве элементной базы микр оэлектроники возникла в 1974 году , когда ведущие инженеры фирмы IBM А . Авирам и М . Ратнер предложили модель выпрямителя (диода ) , состоящег о из о дной органической молекулы . Две половинки этой молекулы облада ют противоположными свойствами по отношению к электрону : о дна может только отдавать электрон (донор ) , а другая – тол ько принимать (акцептор ) . Если поместить такую ассиметричную мол екулу между д вумя металлическими электрод ами , то вся си стема будет проводить ток только в одном направлении . Предложения Авирама и Ратнера о создании молекулярны х систем с направленной электронной проводимо стью инициировали экспериментальные работы по синтезу и изучению свойств таких моле кул . Выдвигались также идеи создания на их основе аналога п олупроводникового транзистора за счет внедрения между донорной и акцепторной частями мол екулы дополнительной управляющей молекулярной гр уппировки (затвора ) , свойства кот орого могут быть изме нены каким-либо воздействием (по дачей напряжения , освещением и т . п .). Если соединить два таких тр анзистора , получится аналог полупроводникового триггера (или вентиля ) – устройства , которое может переключаться между двумя устойчивыми со стояниями , выполняющими роль логического “0” и “ 1”. А это , по сути , базовый элемент любого компьютера , работающего по принципу бинарной (двоичной ) логики . Следующим важным шагом в развитии молекулярной схемотех ники стал отказ от простого копирования полупроводниковых схем с заменой в ни х обычных транзисторов на молекулярные . Дело в том , что существует множе ство как природных , так и синтезированных человеком молекул , которые сами по себе могут служить логическими элементами . Их разделяют на два тип а. К первому относятся мол екулы , обладающие двумя устойчивыми состояниями , которым можно приписать значения “0” и “ 1” . Научившись переключать их из одного состояния в другое с помощью внешних воздействий , мы фактически получим уже гот овый вентиль . Молекулы вто рого типа содержат фрагменты , способные выполнять роль упомянутых выше управляющих группировок . Одна такая молекула мо жет работать как логически активный элемент НЕ-И , НЕ-ИЛИ и т . д . На основе уникальных свойств органичес ких молекул уже сегодня разработано м ножество вариантов схем для гипотетического молекулярного компьют ера . 1.2 Существующие научные разработки молекулярных компьютеров Что же должен включать в себя молекулярный компьютер ? Очевидно , чт о его основные компоненты должны быть тем и же , что и у обычного компьютера : система ввода информации , вычислительный блок (процессо р ) , система хране ния информации (память ) и , наконец , система вывода информации . Ну и , конечно , прово да и блок питания . Процессор , по всей видимости , будет состоять из молекулярных логических элементов . Приведем несколько примеров уже существующих разработок : 1) В качестве триггеров уд обнее всего использовать молекулы , имеющие изомерные формы , которые обладают одинаковой мол екулярной массой и составом , но разли чаются строением или расположением атомов в пространстве . Некоторые из них можно переводить из одной формы в другую путем внешне го воздействия . Например , молекула соединен ия типа спиробензипирана может быть переключе на из состояния “0” в состояние “ 1” с пом ощью ультрафиолетового излучения , а в обратном направлении с помощью света вид имого диапазона . На основе такого триггера можно строить как устройства оперативной памяти , так и элементы , выполняющие логические функц ии . 2) В последнее время в нескольких н аучных центрах разработаны и запатентован ы переключающие элементы на зеркально симметр ичных – хиральных (от греч. хирос – рука ) – изомерах , которые также могут применяться для х ранения и обработки информации : функции логических “0” и “ 1” выполняют “ правая ” и “ левая ” форм ы молекулы [7] . П ереключение т акого триггера , на зываемого хироптическим , из одного состояния в другое производ ится при одновременном действии света и э лектрического поля : свет сообщает молекуле энергию , а электрическое поле задает направле ние переключения . Считывание информации происходит оптическим способом . 3) Недавно компания Hewlett - Packard объявила о своих успехах в изготовлении логических вентилей на основе молекул ротаксанов . [9] Такой вентиль состоит из молекул двух тип ов : цикли ческой (так называемой “ бусины ” ) и линейной ( “ нити ” ). В работающем устройстве “ бусина ” оказывается нанизанной на “ нить ” , располагаясь на ней в одном из двух возможных устойчивых положений . П ереход из одного поло жения в другое , то есть переключени е вентиля , происходит за счет изменения кислотно-щелочного баланса среды . Такой перехо д является обратимым , и им можно управлять с помощью эл ектрических сигналов . В процессе переключения значительно сдвигается полоса п оглощения света молекулами ротаксанов, что дает возможность считывать информацию оптиче ским 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 логич еские операции . Представим себе длинную молек улу , состоящую из двух типов чередующихся структурных группировок , одни из которых служ ат потенциальными ямами ,. а другие - потенци а льными барьерами для прохождения электрона вдоль молекулы . Таким образом , эта молекулярная цепочка представляет собой “пол осу препятствий” для электрона . Исходное сост ояние молекулы задается так , что электрон может легко пройти ее ( за счет эффекта резона н сного туннелирования ). Однако стоит только воздействием на одну из г руппировок изменить высоту барьера или глубин у ямы , - и прохождение электрона станет нев озможным . Д опустим , наша молекула имеет четыре потенциальные ямы , глубиной которых мы можем управлят ь путем оптического или электрического взаимодействия . Тогда она способна работать как логичекий элемент НЕ-И с четырьмя в ходами . То есть электрон через молекулярную цепочку будет проходить только в те мо менты , когда сигнал на всех четырех входах отсутств у ет . [1] 1 .3 Абстракционное “ конструирова ние ” молекулярного к омпьютера Используя в качестве строительных бло ков хотя бы одно из вышеперечисленных мол екулярных устройств , теоретически можно построить схему , выполняющ ую сколь угодно сложн ые логические операции и вычисления . Из эт их же элементов можно создавать и блоки оперативной памяти (ОЗУ ), а также постоянные запоминающие устройства (ПЗУ ). Для работы последних необходимо , чтобы время жизни испол ьзуемых в них молеку л в том или ином состоянии было достаточно велико . Только тогда информация сможет храниться д ительное время. Итак , у нас уже есть набор нео бходимых базовых элементов молекулярного компьют ера . Как же объединить их в единый выч ислительный комплекс ? Совр еменные методы химического синтеза позволяют “сшивать” большие органические молекулы , химически соединяя “в ыходы”одних логических элементов с “входами” других. Один из методов молекулярной архитект уры – построение объемных схем молекулярных устройств – технология Меррифильда , ра зработанная еще в начале 70-х годов для получения полипептидов с заданной последовательн остью аминокислот . Так, например , на основе этого метода сотр удник центра молекулярной электроники IBM доктор Джон Ли ндсней создал управляем ый компьютером син тезатор , предназначенный для конструирования слож ных молекул – компонентов компьютера на молекулярной основе. [2] В процессе синтеза баз овая молекула химически присоединяется к плас тиковой сфере малого диаметра (в реакторной камере содерж атся тысячи таких сфер ). Добавление химических соединений в камеру осуществляется специализированным манипулятором под управлением ЭВМ . Компьютер контролирует такж е температуру , кислотность среды и т.д ., пер иодически анализирует продукт реакции для тог о, чтобы обеспечит правильное его формирование . В ходе определенной последовательно сти химических реакций , предварительно смоделиров анных на ЭВМ , к базовой молекуле , прикрепл енной к пластиковой сфере , добавляются новые молекулы . В процессе синтеза , продолжаю щ егося иногда несколько дней , под управлением компьютера строятся очень сложны е молекулы . Причем каждая из них оказывает ся точной копией прототипа , описание которого хранится в памяти машины. Синтез идет по модульному принципу . На первом этапе синтези руются молекуля рные вентили . На втором этапе из них к онструируются более сложные соединения , способные выполнять функции логически активных элемент ов . Полученные компоненты можно затем использ овать для конструирования молекулярного компьюте ра. При вы полнении каждого шага с интеза необходимо четко понимать , какие химич еские процессы происходят в камере . Этого нельзя достичь без машинного моделирования . К роме того , для сложного синтеза необходимо использовать , по возможности , процессы самоорга низации . В данном случае процесс с амоорганизации означает , что в ходе синтеза добавочные звенья автоматически прикрепляются к молекулярному соединению в нужных местах . Таким образом , конечный продукт каждой реак ции самоорганизуется так , чтобы полностью опр еделить хо д последующих реакций.. Теоретически можно соединить отдельные молекулярные компоненты “ проводами ” , например , из так называемых углеродных нанотрубок – цилиндрических структур диамет ром несколько нанометров – или из токопр оводящих полимеров , н азыв аемых иногда «органическими метал лами» . Работы по созданию полимеров – про водников были начаты еще в 70-х годах и с тех пор уже нашли массу применений в обычной электронике . В 2000 году авторам первых работ в этой области – американским ученым А . Хигеру , А . Мак-Диармиду и японскому ученому Н . Ширакаве присудили Нобелевскую премию по химии. [2] Остается еще проблема ввода и вывода информации . Устройства ввода информации пользователе м в молекулярный компьютер в принципе мо гут остаться теми же , что и в на стоящее время (клавиатура , мышь , входные порты и т.д .) Однако , поскольку процессы хранения и переработки информации в молекулярной электронике носят специфический характер ( отдельные части одно го и того же компьютера могут работать с информацией , предс тавленной в разных формах - электрической , оптической , химической и др . ), встает проблема сопряжения вычисли тельных блоков между собой , а также с внешними электронными устройствами . То есть н еобходимо иметь преобразователи сигнала из од ной формы в другую. Для построения химических (газовых ) се нсоров уже давно используются преобразователи сигнала из химической формы в электрическу ю и обратно . Что касается преобразования э лектрических сигналов в оптические , то для этого подходят молекулярные аналоги с ветодиодов и лазеров , в которых исполь зуются светоизлучающие молекулы (хромафоры ). Недавн о появилось сообщение японских ученых о с оздании светоизлучающего устройства , состоящего и з одной органической молекулы дендромера. Если дл я вывода и отображения информации в молекулярном компьютере использовать уже существ ующие сегодня устройства (мониторы , проекторы и т.п .), то , как и в случае с вводом , необходимо просто иметь соответствующие пре образователи сигналов . Вместе с тем , молекуляр ная электроника пред л агает свои п ути решения этой проблемы . Например , разрабаты ваются молекулярные устройства , на основе кот орых могут быть созданы сверхтонкие жидкокрис таллические мониторы . Для этого под массой жидких кристаллов наносится тонкая органическа я пленка , обладающ а я ориентирующим эффектом . На каждую молекулу пленки поступа ет сигнал из компьютера , меняющий ее конфо рмацию и соответственно ориентацию нанесенного сверху слоя жидких кристаллов , а также его отражательные свойства . Таким образом , пол ученная структура мож е т служить д ля вывода информации на экран . По сход ному принципу работают так называемые “ электронные таблетки ” – экраны неб ольшого размера , п окрытые слоем хиральных жидких кристаллов , молекулы которых мог ут менять тип симметрии в зависимости от ориен тации подложки , изменяя при этом и окраску . Такие таблетки из полиимидных подложек с внедренными молекулам и азокрасителей позволяют записывать с помощ ью поляризованного света лазера и отображать очень большой объем информации , в результате чего они получи ли название “ газеты будущего ” [9] . Такие структуры могут создават ься и на гибкой полимерной подложке , что делает их ещ е более удобными для использования . Второй возможный тип устройств отобра жения информации – это органические светодио ды , то есть акт ивные изл учающие устройства на основе p - n переходов , созданных из органических материалов . Такой светодиод состоит из одного или нескольких слоев органических молекул , помещенных между двумя электродами . Излучение света диодом происходит за счет взаимного уни чтожения (аннигиляции ) положительных и отрицательн ых зарядов в слое органического материала . Эти заряды могут п оступать на светодиод непосредственно из моле кулярного компьютера . С тоит отметить , что используемые в диоде электроды могут быт ь изготовлены не только из металла , но и из орган ических материалов , например на основе полианилина или по лиацетилена . На сегодняш ний день уже достигнут значительный прогресс в получении высоких значений эффективности светодиодов , в понижении их рабочих напряжений , а также в выборе цвета излучения . Разр аботаны устройства с эффективностью несколько люмен на ватт и со сроком службы не сколько тысяч часов . 1. 4 Есть ли у молекулярных компьютеров будущее ? Хотя т еоретические о сновы молетроники уже доста точно хорошо разработаны и созданы прототипы практически всех элементов логических схем , однако на пути реального построения моле кулярного компьютера встают значительные сложнос ти . Внешне очевидная возможность использования отде л ьных молекул в качестве л огических элементов электронных устройств оказыв ается весьма проблематичной из-за специфических свойств молекулярных систем и требований , п редъявляемых к логическим элементам. В первую очередь логический элемент должен облада ть высокой надежностью ср абатывания при подаче управляющего воздействия . Если рассматривать оптическую связь между элементами , то в системе одна молекула - од ин фотон надежность переключения будет невели ка из-за относительно малой вероятности перех ода мол е кулы в возбужденное состо яние . Можно пытаться преодолеть эту трудность , используя одновременно большое число кванто в . Но это противоречит другому важному тре бованию : КПД преобразования сигнала отдельным элементом должен быть близок к 1, то есть средняя мо щ ность реакции должна быть соизмерима со средней мощностью возде йствия . В противном случае при объединении элементов в цепь вероятность их срабатыван ия будет уменьшаться по мере удаления от начала це п и . Кроме того , элемент должен однозначно пе реключаться в требуемое состояние и нах одиться 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 перехо д может происхо д ить спонтанно . Однако не все так плохо . Использов ание больших органических молекул или их комплексов позволяет , в принципе , обойти переч исленные трудности . Например , в некоторых белк ах КПД электронно – оптического преобразован ия близок к 1. К тому же , для больш инства биологических молекул время жизни возб ужденного состояния достиает нескольких секунд. Но даже в том случае , если отд ельный молекулярный вычислительный элемент и не будет обладать надежностью своих кремниевы х предшественников , эффе ктивной работы бу дущего компьютера можно достичь , комбинируя п ринципы молетроники и комбинированных вычислений , применяемых в суперкомпьютерах . Для этого надо заставить несколько молекулярных логическ их элементов работать параллельно . Тогда непр авильное с р абатывание одного их н их не приведет к заметному сбою в выч ислениях . Современный суперкомпьютер , работающий п о принципу массивного параллелелизма и имеющи й многие сотни процессоров , может сохранить высокую производительность даже в том случ ае , если 75% из них выйдет из стро я . Практически все живые системы используют принцип параллелелизма . Поэтому несовершенство организмов на уровне отдельных клеток или генов не мешает им эффективно функциониров ать . Сегодня в мире существует уже бол ее десятка научно- технологических центров , занимающихся разработкой устройств молекулярной электроники . Ежегодно конференции (в 2000 году про шла уже 14 такая конференция ) собирают сотни специалистов в этой области . [7] Большой интерес к молетро нике вызван не только пе рспективами п остроения компьютера , но и широкими возможнос тями развития новых технологий . Благодаря выс окой чувствительности электронных молекулярных у стройств к свету их можно использовать дл я создания эффективных преобразователей солнечно й энергии , мод е лирования процессов фотосинтеза , разработки нового класса приемнико в изображения , принцип действия которых будет напоминать работу человеческого глаза . Молек улярные устройства можно использовать также в качестве селективных сенсоров , реагирующих т олько на определенный тип молекул . Такие сенсоры необходимы в экологии , промышле нности , медицине . Сенсор из органических молек ул значительно легче вживляется в организм человека с целью контроля за его состо янием. Для решения стоящих перед молекулярно й электр оникой проблем нужны усилия ш ирокого круга ученых , работающих в области академических знаний от коллоидной химии и биологии до теоретической физики , а такж е в области высоких технологий . Кроме того , требуются значительные финансовые вложения. Глава 2 Квантовые компьютеры – миф или гряду щая реальность ? 2 .1 История развития теор ии квантовых вычислительных устройств Только к середине 1990-х годов теория квантовых комп ьютеров и квантовых вычислений (*) утвердилась в качестве новой области науки . [ 2 ] Как это часто бывает с великим и идеями , сложно выделить первооткрывателя . По-видимому , первы м обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И . фон Нейман [1] . Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые , но и обычные , классические , компьютеры . А с появлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первую очере дь на поиск и разработку для них новы х элементов (транзисторо в , а затем и интегральных схем ) , а не на создание принципиально других вычислительных устройств . * Теория квантовых компьютеров – одна из современных ветвей квантовой механики и теории квантовых вычислений . Квантовая механика – теория , устанавливающая способ описания и законы движения микрочасти ц (элементарных частиц , атомов , молекул , атомных ядер ) и их систем , а также связ ь величин , характе ризующих частицы и системы , c физическими величинами , непосредственно измеряемых в макроско пических опытах . Законы к вантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества . Они позволили выяснить строение ат омов , установить природу химической связи , о бъяснить периодическую систему элементов , понять строение атом ных ядер , изучать св ойства элементарных частиц . Ряд крупнейших технических достижений 20 в . основан на специ фических законах квантовой механики , которая , в час тности , создала фундамент для та кой бурно развивающейся области физики как квантовая электроника и заложила основы дл я формирования теории квантовых вычислений . В 1960-е годы американск ий физик Р . Ландауэр , работавший в корпорации IBM , пытался обратить внимание научного мира на то , что вычи сления – это всегда некоторый физический процесс , а значит , невозможно понять пре делы наших вычисл ительных возможностей , не уточнив , какой физической реализации они соответствуют [2] . К сожалению , в то время среди ученых господствовал взгляд на вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру , изучать которую след ует математикам , а н е физ икам . По мере распространения компьютеров у ченые , занимавшиеся кван товыми объектами , пришли в выводу о практической невозможности на прямую рассчитать состояние эволюционирующей сис темы , состоящей вс его лишь из нескольких десятков взаимодейств ующих ч астиц , например молекулы метана ( CH 4) . Объясняет ся это тем , что для полного описания сложной системы необходи мо держать в памяти компьютера э к споненци ально большое (по числу частиц ) количество переменных, так называемых квантовы х амплитуд . Возникла парадок сальная ситуация : зная уравнение эволюции , зная с достаточной точ ностью все потенциалы взаимодействия частиц д руг с другом и начальное состояние системы, практически невозможно вычислить ее будущее , даже есл и система состоит из 30 электронов в потенц иаль ной яме , а в распоряжении имеется суперкомпьютер с оп еративной памятью , число битов которой равно числу атомо в в видимой области Вселенной (!) . И в то же время для исследования динамики такой системы можно пр осто поставить эксперимент с 30 электронами , пом естив их в заданный потенциал и начальное состояние . На это , в частности , обратил внимание русский математик Ю . И . Манин , указавш ий в 1980 году на необходимость разработки те ории квантовых вычислительных устройств . [1] В 1980-е годы эту же проблему изучал аме риканский физик П . Бенев , я вно показавший , что квантовая система может производить вычисления , а также англи йский ученый Д . Дойч , теоретически разр аботавший универсальный квантовый компьютер , превосходящий классическ ий аналог . [1] Большое внимание к проблеме разработки квантовых компьютеров прив лек лауреат Нобелевской премии по физике Р . Фейнман . Благодаря его авторитетному призыву число специалистов , обративших внимание на квантовые вычисления , увели чилось во много раз . И все же долгое время ос т авалось неясным , м ожно ли использовать гипотетическую вычислительн ую мощь квантового компьютера для ускорения решения практических задач . Но вот в 1994 году американский математик , сотрудни к фирмы Lucent Technologies (США ) П. Шор ошеломил научный мир , пред ложив квантовый алгоритм , позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел . По сравнению с лучшим из известных на сегодн яшний день классических методов квантовый алг оритм Шора дает многократное ускорение вычисл ений , причем , чем длиннее факториз уемо е число , тем значительней выигрыш в скорости . Алгоритм быстрой факторизации представляет огромный практический интерес для различных спецслужб , накопивших банки нерасшифров анных сообщений . В 1996 году коллега Шора по работе в Lucent Technologies Л . Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных . (Пример такой базы данных – телефонная книга , в которой фамилии абонентов расположены не по алфавиту , а произвольным образом . ) Задача поиска , выбора оптимального элемента среди многочисленных вариантов очень часто встречается в экон омических , военных , инженерных задачах , в компьютерных играх . Алгоритм Гровера позволяет не только ускорить процесс поиска , но и увеличить п римерно в два раза число параметров , учитываемых при вы боре опт имума . Реальному созданию квантовых компьютеров препятствовала , по существу , единственная серьезная проблема – ошибки , или помехи . Дело в том , что один и тот же уровень помех гораздо интенсивнее портит процесс квантовых вычислени й , чем классически х . Пути решения этой проблемы наметил в 1995 году П . Шор , разработав схему кодирования квантовых состояний и коррекций в них ошибок . 2. 2 Производство квантовых компьютеров : технологические трудности и перспективы Прототипы квантовы х компьютеров с уществуют уже сегодня . Правда , пока что эк спериментально удается собирать лишь небольшие регистры , состоящие всего из нескольких ква нтовых битов . Так , недавно группа , возглавляема я американским физиком И . Чангом ( IBM ), объявила о сб орке 5-б итового квантового компьютера . [4] Несомненно , это большой успех . К сожалению , существующие ква нтовые системы еще не способны обеспечить надежные вычисления , так как они либо н едостаточно управляемы , либо очень подвержены влиянию шумов . Однако физических з апретов на построение эффективного квантового компью тера нет , необходимо лишь преодолеть технолог ические трудности. К таким трудностям (мы будем назыв ать их пределами ) можно отнести следующие : a ) Предел первый : быстрод ействие Все логиче ские операции , осу ществляемые компьютером , основаны на переключении битов между условными значениями “0” и “ 1” , которым отвечают два устойчивых физически х состояния . Во всех случаях скорость переключени я бит ов и , следовательн о , быстродействие вычислительного устройства определяются тем , насколько быстро протекает соответствующ ий физический процесс . Например , время переключения транзистора тем меньше , чем больше подвижнос ть электронов в полупроводнике , ск орость перехода мо лекулы из одной формы в другую определяет ся вероятностью этого события и т . д . Времена процессов переключения , как правило , очень малы (от 1 до 10 -15 секунды ) . И все же они конеч ны . С точки зрения квантовой механики , утверждает физик из Массачусе тского технологического института (США ) Сет Лл ойд , скорость вычисления ограничена полной до ступной энергией [7] . В 1998 году это положение было теорети чески доказано математиками из Массачусетского технологического университета (США ) Норманом Марголусом и Львом Левитиным . Им уд алось показать , что минимальное время преключ ения бита равно одной четверти постоянной Планка , деленной на полную энергию : 1 h /4 E Таким обра зом , чем больше энергия компьютера , используем ая им для вычислений , тем быстрее он считает . По мнению Ллойда , “ предельный ” компьютер – это такой комп ьютер , вся энергия которого будет расходоваться только на вычислительный процесс. Исходя из приведенного соотношения , оц еним , к примеру , быстродей ствие некоторого гипотетического компьютера массой 1 килограмм , с остоящего всего из одного бита . Как известно , полная э нергия тела задается фундаментальным соотношение м E = mc 2 , где m - масса объекта , с – скорость с вета в вакууме . Итого имеем 10 17 Дж . Если б ы всю эту энергию , “ погребенную ” в массе нашего компьютера , можно бы ло бы использовать в вычислительном процессе , время переключения бита достигло бы фант астически малых величин порядка 10 -51 секунды ! Полученное значен ие существенно больше “ планковского промежутка времени ” , (10 -44 секунд ы ) – минимального временного интервала , котор ый , с точки зрения квантовой гравитации , требуется для протекани я любого физического события. Однако мы рассмотрели однобит ный компьютер , в то время как на практ ике любой ЭВМ требуется не один , а множество битов . Если энергию нашего гипоте тического компьютера распределить между миллиард ами битов , время переключения уже каждого из них будет уже меньше планковского . Важн о , что при это м общее число переключений всех битов за секунду останется прежним – 10 51 . По сравнению с предельным компьютером Ллойда нынешние ЭВМ – просто черепахи : при тактовой частоте порядка 500 мегагерц тип ичный современный компьютер выполняет лишь 10 12 операций в секун ду . Предельный компьютер раб отает в 10 39 раз быстрее !. А если он будет весить не килограмм , а тонну , быстродействие возрастет еще в 1000 раз. В чем причина медлительности современных ЭВМ ? Все дело в том , счита ет Ллойд , что полезную работу в них со вершают лишь электроны , переме щающиеся вн утри транзисторов . Что касается основной масс ы компьютера , то она не только не испо льзуется как источник энергии , но , напротив , препятствует свободному движению носителей зар ядов . Единственная ее функция – поддерживать ЭВМ в стабильном состояни и. Как избавиться от бесполезной массы ? Надо превратить ее в кванты эл ектромагнитного излучения - фотоны , которые , как известно , не имеют массы покоя (считается , что она равна 0). Тогда вся энергия , запас енная в массе , перейдет в энергию излучени я , и компьютер из неподвижного серого ящика превратится в светящийся огненный ша р ! Как ни странно ,н о именно так может выглядеть пред ельный 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 вво да-вывода , описанная модель “ предельн ого ” компьютера имеет один принципиальный недоч ет . Допустим , максимальный размер (например , диаметр ) нашего компьютера равен 10 сантиметрам. Поскольку фотоны движутся со ск оростью света , то все 10 31 битов информации , хранящейся в нашем компьютере , не могут быть “ скачаны ” из него быстрее , ч ем за время , т ребующееся свету для прохожде ния расстояния в 10 сантиметров – то есть за 3 -10 секунды . Значит , максимальная скорость обмена инфо рмацией компьютера с внешним миром равна 10 41 бит в секунду . А предельная скорость обработки информации , как мы уже выяснили ран ьше , составляе т 10 51 бит в се кунду , что в д есять миллиардов раз быстрее . Таким образом , необходимость связи компьютера с внешним миром , а также отдельных его частей друг с друг ом 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 инфор мацией будет прои сходить быстрее , а объем памяти с танет меньше . При этом доля последовательных операций в ко мпьютере может возрасти , а доля параллельных – уменьшиться . Заметим , что до сих пор все на ши рассуждения касались только быстродействия предельного компьют ера , но мы забыли о такой важной его характеристике , как память . Существует ли предел запоминающей спо собности вычислительных систем ? b ) Предел второй : память Память компьютера ограничена его энтропией , утверждает Сет Ллойд , то есть степенью беспорядка , случайности в системе . [5] В теории инфо рмации 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 инф ормации вы хотите сохранить , тем больше ра зличимых сос тояний вам потребуется . Напри мер , для записи одного бита информации нео бходимо два состояния : включено и выключено . Чтобы записать два бита , потребуется уже 4 различных состояния , 3 бита - 8, n битов – 2 eN состояний. Таким образом , чем больше разли чных состояний в системе , тем выше ее запоминающая способность. Чему равна энтропия “ п редельного” кванто вого компьютера ? Во-первых , она зависит от объема компь ютера : чем он больше , тем большее число возможных положений в пространстве могут з анимать его частицы . Во-вторых , необходимо знать распределение частиц по энергиям . Для этого можно воспользоваться готовым рас ч етом , выполненным еще сто лет назад Максом Планком при решении задачи о так называемом черном те ле . Что же мы получим ? Оказывается , литр квантов света может хранить около 10 31 битов инф ормации – это в 10 20 раз больше , чем мо ж но записать на совре менный 10-гигабайтный жесткий диск ! Откуда такая огромная разница ? По мнению Ллойда ,все дело в том , что способ , которым в со временных компьютера х записывается и хра нится информация , чрезвычайно неэкономен и из быточен . За хранение одного бита отвечает целый “магнитный домен” – а ведь это миллионы атомов . Т аким образом , вновь встает вопро с об уменьшении размеров ЭВМ . с ) Перспективы развития квантовых устр ойств На сегодня существует несколько идей и предложений , как сделать надежные и легко управляемые квантовые биты . И . Чанг развивает идею об использо вании в качестве кубитов спин ов ядер некоторых органических молекул. Российский исследователь М . В . Фейгель ман , работающий в институте теоретической физ ики им . Ландау РАН , предлагает собирать квантовые регистры и з миниатюрных сверхпроводниковых колец . Каждое кольцо выполняет рол ь кубита , а сос тояниям 0 и 1 соответствуют направления электрическ ого тока в кольце-по часовой стрелке и против нее. [2] Переключать такие кубиты можно магнитным пол ем. В физик о-технологическом институте РАН группа под ру ководством академика К . А . Вал иева пре дложила два варианта размещения кубитов в пролупроводниковых структурах . В первом случае роль кубита выполняет электрон в системе из двух потенциальных ям , создаваемых нап ряжением , приложенным к мини– электродам на п оверхности полупроводника . Сост о яния 0 и 1 – положение электрона в одной из э тих ям . Переключается кубит изменением напряж ения на одном из электродов . В другом варианте ядром является ядро атома фосфора , внедренного в определенную точку полупроводник а . Состояния 0 и 1 – направления спин а ядра вдоль либо против внешнего ма гнитного поля . Управление ведется с помощью совместного действия магнитных импульсов резон ансной частоты и импульсов напряжения. [2] Таким образом , исследования ак тивно ведутся , и можно предположить , что в самом неда леком будущем – лет ч ерез 10 – эффективный квантовый компьютер буде т создан. Заключение Итак , подведем итоги . На основе анализа существующих научных теорий , приоритетных направлений развития микроэлектроник и можно сделать следующие выводы : 1) Дальнейший прогресс компьютерной техники , б есспорно, возможен . Он будет двигаться в направлении дальнейшей миниатюризации ЭВМ с одновременным увеличением ее быстродействия . 2) Современные полупроводниковые компьют еры скоро исчерпа ют свой потенциал , и даже при условии перехода к тре хмерной архитектуре микросхем их быстродействие будет ограничено значением 10 15 операций в секунду . 3) Устройство “к омпьютеров буду щего ” будет осн овано на применении гл авным образом передо вых отраслей широкого спектра научных дисциплин (молекулярная электроника , молекулярная биология , робототехника ), а также квантовой механики , органической химии и др . А д ля их производства компьютеров будут необход имы 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 микроэлектрон ики , а также обширнос ти накопленных знаний в области других научных дисциплин (см . выше ) позволяет надеяться на создание “ суперкомпьютера ” в сроки 100-300 лет. 5) Скорость к омпьютерных вычислений достигнет з начения 10 51 операций в секунду . 6) Область пр именения ЭВМ будет чрезвычайно обширной. Они будут : a ) по мере поступ ления рыночной информации автоматически управлять процессами прои зводства продукции ; b) накапливать человечес кие знания и обеспечивать получение необходимой информации в течение нескольких минут ; c ) ставить диагнозы в медицине ; d ) обрабатывать налоговые дек ларации ; e ) создавать новые ви ды продукции ; f ) регулировать движение всех видов транспорта ; g ) вести домашнее хозяйство ; h ) вести диалог с ч еловеком и т.д. И хотя многие из перечи сленных функций могут представляться нам утоп ическими , все же не следует исключать возможность создания своего рода симбиоза "человек-ЭВМ ". Лишь после того , как компьютер превратится в пылающ ий огненный шар либо в микроскопическую ч ерную дыру , прогресс вычислительной техники прекратится . Фантастика ? Нет , ” еще одно свидетельство тесной связи ф изики и теории информации ” [5] . Конечно , сегод ня мы даже не можем себе представить , как достичь этих невероятных пределов . Однако не стоит отчаиваться . Если развитие ЭВМ будет идти теми же темпами , в се описанное станет реальностью через каких-нибудь две сотни лет . Библиография 1) Н . Л . Прохоров , К . В . Песелев . Перспективы развития в ычислительной техники . Книга 5 : М алые ЭВМ . М., Н аука .1989 . 2) Л. Федичкин .“Квантовые компьютеры” ( c . 24-29) . Н аука и жизнь. Москва .,и здательство “ Пресса ”. 2001 .№ 1. 3) Р . Фейнман . Моделирование физики на компьютерах // Ква нтовый компьютер и квантовые вычисления : Сб . в 2-х т . – Ижевс к : РХД , 1999 . Т 2 , с 96-123 . 4) Р . Фейнман . Моделирование физики на компьютерах // Ква нтово-механические компьютеры : Сб . в 2-х т . – Ижевск : РХД , 1999 . Т 2 , с 123-156 . 5) А . Шишлова .“ Последний из компьютеров ” ( c . 68-72) . Наука и жизнь. М ., издательст во “ Пресса ”. 2001 .№ 2. 6) А . Шишлова .”Молетроника. Системы исчисления . Органические материа лы в современной микроэлектронике ” ( c . 64-70) .Наука и ж изнь. Москва , издательство “ Пресса ”. 2000 .№ 1. 7)New Scientist. Annals of the New York Academy of Sciences. 2001 . № 1 . 8) Интернет : http://www. a sphi.it/ 9) Интернет http://europa.eu.int/comm/external_relations
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Привет, я — это ты из будущего, положи мне 500 рублей на этот номер, потом все объясню.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, реферат по радиоэлектронике "Есть ли пределы развития и миниатюризации компьютеров", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru