Перспективы развития ПК

1.2.  Направления  в  развития ПК

В настоящее время  индустрия производства компьютеров  и программного обеспечения для  них является одной из наиболее важных сфер экономики развития стран. Ежегодно в мире продаются десятки миллионов компьютеров. Только в США объем продаж компьютеров, услуг и программного обеспечения составляет десятки миллиардов долларов, и постоянно продолжает расти⁵.

Несколько уже было названо  – это невысокая стоимость  компьютеров (как правило, от нескольких сотен до тысяч долларов) и их сравнительная выгодность для многих применений по сравнению с большими ЭВМ и мини-ЭВМ. Но имеются и  другие причины:

1. простота использования, обеспеченная с помощью диалогового способа взаимодействия с компьютером, удобных и понятных интерфейсов программ (меню, подсказки, «помощь» и т.д.);

б)    возможность  индивидуального взаимодействия с  компьютером без каких-либо посредников  и ограничений;

в)   относительно высокие  возможности по переработке информации (типичная скорость – несколько  миллионов операций в секунду, емкость  оперативной памяти, емкость жестких  дисков);

г)     высокая  надежность и простота ремонта, основанные на интеграции компонентов компьютера;

д)   возможность  расширения и адаптации к особенностям применения компьютеров – один  и тот же компьютер может быть оснащен периферийными различными устройствами и разным программным  обеспечением;

е)    наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового программного обеспечения.

Несмотря на то, что  область применения персональных компьютеров  очень широка, имеются задачи, которые  лучше решать на более мощном ЭВМ. Персональные компьютеры являются наиболее широко используемым видом компьютеров, их мощность постоянно увеличивается, а область применения расширяется. Персональные компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет десяткам и сотням пользователей легко обмениваться информацией и одновременно получать доступ к общим базам данных. Средства электронной почты позволяют пользователям компьютеров с помощью обычной телефонной сети посылать текстовые и факсимильные сообщения в другие города и страны и получать информацию из крупных банков данных.

Однако возможности  персональных компьютеров по обработке  информации все же ограничены. Наиболее часто появляющиеся ограничения  – по объему обрабатываемой информации и по скорости вычислений.

На персональном компьютере можно хранить до нескольких десятков Гбайт данных (один Гбайт – это около 400 тыс. страниц текста) и получать к ним доступ за сотые доли секунды. Но во многих случаях требуется обрабатывать еще большие объемы информации или делать это быстрее. К таким областям относится банковское дело, системы резервирования авиа- и железнодорожных билетов и т.д. Например на персональном компьютере легко можно создавать базу данных индивидуального пользования с названиями и характеристиками журналов по какой-либо предметной области. Но для создания базы данных, в которой хранились бы рефераты статей из этих журналов или сами тексты статей и к которой одновременно могли бы обращаться сотни пользователей, потребуются уже большие ЭВМ.

При обработки больших объемов информации оказывается наиболее целесообразным совместное использование компьютеров разного уровня, где на каждом уровне решаются те задачи, которые соответствуют его возможностям, например в крупном коммерческом банке обработка информации о клиентах и расчетах, скорее всего, потребует большую ЭВМ, а ввод данных и анализ результатов может осуществляться и на персональном компьютере.

Во многих задачах  оказывается недостаточной вычислительная мощность персональных компьютеров. Например, расчет механической прочности конструкции из  нескольких сотен элементов  можно сделать и на персональном компьютере, но если надо рассчитать прочность конструкции из сотен тысяч элементов, то потребуется уже большая ЭВМ и даже суперЭВМ, что и стимулирует развитие и компактность ПК.

Другим примером является компьютерное производство видеофильмов. Персональный компьютер вполне можно  использовать для создания простеньких  движущих картинок на экране. Но для  создания реалистичных фильмов и  специальных видеоэффектов требуется такой гигантский объем вычислений, который на персональных компьютерах выполнить практически не возможно. Даже для производства небольшого фильма требуется много дней или недель работы компьютера. Поэтому профессиональные студии, занимающие производством фильмов, видеорекламы и т.д., вынуждены приобретать специализированные компьютеры, предназначенные для создания видеофильмов. Эти компьютеры стоят в десятки раз дороже IBM PC-совместимых компьютеров, но позволяют создать продукцию во много раз быстрее. Не удивительно – они сконструированы так, чтобы очень быстро выполнять именно те операции, которые используются при создании движущихся трехмерных изображений⁶.

Замечание. Следует сказать, что иногда при больших затратах труда, «хитром» программирования и  т.д. удается решить на  персональном компьютере соответствующей мощности и не пытаться сделать из персонального компьютера суперЭВМ.

Перспективы развития оптических компьютеров.

Развитие вычислительной техники представляет собой постоянно  сменяющие друг друга физические способы реализации логических алгоритмов - от механических устройств (вычислительная машина Бэббиджа) к ламповым (компьютеры 40-50-х годов Марк I и Марк II), затем к транзисторным и, наконец, к интегральным схемам. И уже на рубеже XXI века идут разговоры о скором достижении пределов применения полупроводниковых технологий и появлении вычислительных устройств, работающих на совершенно ином принципе. Все это свидетельствует о том, что прогресс не стоит на месте, и с течением времени ученые открывают новые возможности создания вычислительных систем, принципиально отличающихся от широко применяемых компьютеров. Существует несколько возможных альтернатив замены современных компьютеров, одна из которых - создание так называемых оптических компьютеров, носителем информации, в которых будет световой поток.

Проникновение оптических методов в вычислительную технику ведется по трем основным направлениям. Первое основано на использовании  аналоговых интерференционных оптических вычислений для решения отдельных специальных задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований. Второе направление связано с  использованием оптических соединений для передачи сигналов на различных ступенях  иерархии  элементов вычислительной техники, т.е. создание чисто оптических или гибридных (оптоэлектронных) соединений вместо обычных, менее надежных, электрических соединений. При этом в конструкции компьютера  появляются  новые элементы - оптоэлектронные преобразователи  электрических  сигналов в оптические  и  обратно. Но самым перспективным направлением развития оптических вычислительных устройств является создание компьютера, полностью состоящего из оптических устройств обработки информации. Это направление интенсивно развивают с начала 80-х годов  ведущие научные центры (MTI, Sandia Laboratories и др.)  и основные компании-производители компьютерного оборудования (Intel, IBM).

В основе работы различных  компонентов оптического компьютера (трансфазаторы-оптические транзисторы, триггеры, ячейки памяти, носители информации) лежит явление оптической бистабильности. Оптическая бистабильность - это одно из проявлений взаимодействия света с веществом в нелинейных системах с обратной связью, при котором определенной интенсивности и поляризации падающего на вещество излучения соответствуют два (аналог 0 и 1 в полупроводниковых системах) возможных стационарных состояния световой волны, прошедшей через вещество, отличающихся амплитудой и (или) параметрами поляризации. Причем предыдущее состояние вещества однозначно определяет, какое из двух состояний световой волны реализуется на выходе. Для большего понимания явление оптической бистабильности можно сравнить с обычной петлей магнитного гистерезиса (эффект, используемый в магнитных носителях информации). Увеличение интенсивности падающего на вещество светового луча до некоторого значения I₁ приводит к резкому возрастанию интенсивности прошедшего луча; на обратном же ходе при уменьшении интенсивности падающего луча до некоторого значения I₂<I₁ интенсивность прошедшего луча остается постоянной, а затем резко падает. Таким образом, интенсивности  падающего  пучка I, значение которой находится в пределах  петли гистерезиса, соответствуют два значения интенсивности прошедшего пучка, зависящих от предыдущего оптического состояния поглощающего вещества.

Весь набор полностью  оптических логических устройств для  синтеза более сложных блоков оптических компьютеров реализуется  на основе пассивных нелинейных резонаторов-интерферометров. В зависимости от начальных условий (начального положения пика пропускания и начальной интенсивности оптического излучения) в пассивном нелинейном резонаторе, нелинейный процесс завершается установлением одного из двух устойчивых состояний пропускания падающего излучения. А из нескольких нелинейных резонаторов можно собрать любой, более сложный логический элемент (триггер).

Элементы памяти оптического  компьютера представляют собой полупроводниковые  нелинейные оптические интерферометры, в основном, созданными из арсенида галлия (GaAs). Минимальный размер оптического элемента памяти определяется минимально необходимым числом атомов, для которого устойчиво наблюдается оптическая бистабильность. Это число составляет ~1000 атомов, что соответствует 1-10 нанометрам [23; 17].

К настоящему времени уже  созданы и оптимизированы отдельные составляющие оптических  компьютеров – оптические процессоры, ячейки памяти), однако до полной сборки еще далеко. Основной проблемой, стоящей  перед учеными, является синхронизация работы отдельных элементов оптического компьютера в единой системе, поскольку уже существующие элементы характеризуются различными параметрами рабочей волны светового излучения (интенсивность, длина волны), и уменьшение его размера. Если для конструирования оптического компьютера использовать уже разработанные компоненты, то обычный PC имел бы размеры легкового автомобиля. Однако применение оптического излучения в качестве носителя информации имеет ряд потенциальных преимуществ по сравнению с электрическими сигналами, а именно:

1. световые потоки, в отличие от электрических, могут пересекаться друг с другом;
2. световые потоки могут быть локализованы в поперечном направлении до манометровых размеров и передаваться по свободному пространству;

3. скорость распространения светового сигнала выше скорости   электрического;

4. взаимодействие световых потоков с нелинейными средами распределено по всей среде,  что дает новые степени свободы  (по сравнению с электронными системами) в организации связи и создании параллельных архитектур.

Вообще, создание большего количества параллельных архитектур, по сравнению с полупроводниковыми компьютерами, является основным достоинством оптических компьютеров, оно позволяет преодолеть ограничения по быстродействию и параллельной обработке информации, свойственные современным ЭВМ. Развитие оптических технологий все равно будет продолжаться, поскольку полученные результаты важны не только для создания оптических компьютеров, но также и для оптических коммуникаций и сети Internet [23; 19].

Перспективы развития квантовых компьютеров.

Создание качественно новых вычислительных систем с более высокой производительностью и некоторыми характеристиками искусственного интеллекта, например с возможностью самообучения, - очень актуальная тема. Последние десять лет такие разработки ведутся во многих направлениях - наиболее успешными и быстро развивающимися из них являются квантовые компьютеры, нейрокомпьютеры и оптические компьютеры, поскольку современная элементная и технологическая база имеет все необходимое для их создания. Хотя при этом возникают определенные проблемы. Но не будем забегать вперед - все перечисленные виды компьютеров и проблемы с их разработкой подробно описаны в этой статье. Начнем с предпосылок создания более скоростных, а значит, и более высокопроизводительных вычислительных систем.

Основной его строительной единицей является кубит (qubit, Quantum Bit). Классический бит имеет лишь два состояния - 0 и 1, тогда как состояний кубита значительно больше. Для описания состояния квантовой системы  было введено понятие волновой функции, ее значение представляется в виде вектора с большим числом значений. Существуют волновые функции, которые называются собственными для какой-либо определенной величины. Квантовая система может находиться в состоянии с волновой функцией, равной линейной комбинации собственных функций, соответствующих каждому из возможных значений (такое состояние называется сложным), т. е. физически - ни в возбужденном, ни в основном состоянии. Это означает, что кубит в одну единицу времени равен и 0, и 1, тогда как классический бит в ту же единицу времени равен либо 0, либо 1. Как для классических, так и для квантовых компьютеров были введены элементарные логические операции: дизъюнкция, конъюнкция и квантовое отрицание, при помощи, которых будет организована вся логика квантового компьютера.

Согласно законам  квантовой механики, энергия электрона, связанного в атоме, не произвольна. Она может иметь лишь определенный прерывный (дискретный) ряд значений Е₀, Е₁,... Е_n называемых уровнями энергии. Этот набор называют энергетическим спектром атома. Самый нижний уровень энергии Е0, при котором энергия атома наименьшая, называется основным. Остальные уровни (Е₁, Е₂,... Е_n) соответствуют более высокой энергии атома и называются возбужденными. Излучение и поглощение атомом электромагнитной энергии происходит отдельными порциями - квантами, или фотонами. При поглощении фотона энергия увеличивается - он переходит "вверх" - с нижнего на верхний уровень, при излучении фотона атом совершает обратный переход вниз [35; 124].

Если атом в  данный момент времени находится  в одном из возбужденных состояний  Е₂, то такое состояние атома неустойчиво, даже если на него не влияют другие частицы. Через очень короткое время атом перейдет в одно из состояний с меньшей энергией, например Е₁. Такой самопроизвольный (спонтанный) переход с одного уровня на другой и сопровождающее его спонтанное излучение столь же случайны во времени, как радиоактивный распад ядра атома. Предсказать точно момент перехода принципиально невозможно - можно лишь говорить о вероятности того, что переход произойдет через такое-то время. Но атом может перейти с уровня Е₂ на Е₁ не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, если только частота этой волны достаточно близка к частоте перехода атома. Такая резонансная волна как бы "расшатывает" электрон и ускоряет его "падение" на уровень с меньшей энергией. Переходы, происходящие под действием внешнего электромагнитного поля, называются вынужденными (или стимулированными). При создании квантового компьютера основное внимание уделяется вопросам управления кубитами при помощи вынужденного излучения и недопущении спонтанного излучения, которое нарушит работу всей квантовой системы. От рассказа о физике происходящих в квантовом компьютере процессов перейдем к тому, как эти свойства реализуются в экспериментальном образце квантового компьютера.