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
Обойти Антиплагиат
Повысьте уникальность файла до 80-100% здесь.
Промокод referatbank - cкидка 20%!
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
О списке кандидатов в президенты России на следующих выборах говорить пока рано.
Но победитель уже известен.
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 - 2017
Рейтинг@Mail.ru