41
волоса, а толщина ее стенки сравнима с размерами атома.
Технология компании Nаntеrо использует два таких свойства: эластичность
(гибкость) нанотрубок и притягивание атомов углерода друг к другу под
воздействием сил Ван-дер-Ваальса.
Нанотрубки закрепляются на кремниевой подложке, а под ними на расстоянии
примерно 120 нм располагается углеродный субстрат. Малое расстояние между
соседними подложками вместе с ничтожными размерами нанотрубок позволяют
достичь скоростей записи (чтения) порядка наносекунды.
Электрический заряд небольшой величины, поступающий на подложку,
притягивает к последней группу нанотрубок, расположенных над ней. Далее
притянутые нано-трубки удерживаются в таком состоянии под действием сил Ван-
дер-Ваальса, которые действуют независимо от наличия электропитания до
появления следующего электрического заряда. Благодаря такому устройству
свисающие нанотрубки могут играть роль битов памяти: «поднятое» состояние -
«0», «опущенное (притянутое)» - «1». Так как в каждом отдельном переходе между
указанными состояниями участвует несколько десятков нанотрубок, создается
избыточность, предохраняющая систему от случайных потерь информации. В
«замкнутом» и «разомкнутом» состояниях система из нанотрубок имеет различное
электрическое сопротивление, за счет чего возможно считывание информации.
Плотность записи информации в ячейки NRАM сравнима с плотностью записи
информации в микросхемах оперативной памяти. В перспективе, плотность записи
данных может достичь триллиона бит на квадратный сантиметр, что в 1000 раз
больше, чем у современной оперативной памяти.
NRАM может оказаться решением, востребованным компьютерным рынком.
Примерная схема появления новых видов памяти отображено на рис.2.(см.
приложение В).
2.2 Требования к конфигурации ПК со стороны прикладных программ
Весьма ресурсоемкими пользовательскими программами являются:
42
-графический пакет АutоСАD, позволяющий создавать самые сложные
конструкторские машиностроительные чертежи;
-пакеты компьютерной графики Phоtоshоp и 3D Мах.
Последние версии АutоСАD и Phоtоshоp СS поддерживают:
-многочисленные скрипты, позволяющие создавать собственные элементы
интерфейса (окна, кнопки, поля для ввода текстов, настраиваемые клавиатурные ко-
манды);
-эффективные технологии работы со слоями;
-создание и хранение многочисленных элементарных фрагментов графики и
чертежей, на основе которых создаются и объемные изображения;
-браузеры для поиска и просмотра изображений, их вращения, сортировки,
отображения растровой и векторной графики;
-технологии для работы с цифровыми фотографией и видео в Phоtоshоp,
включая непосредственную совместную работу с цифровыми камерами;
-и многое другое.
И при всем этом требования к компьютерным ресурсам по современным
меркам сравнительно невелики. Например, для пакета Phоtоshоp СS достаточен
микропроцессор Pеntium III или 4, оперативная память 256 Мбайт, свободное
пространство на жестком диске 300 Мбайт, видеокарта с глубиной цвета 16 бит и
разрешением 1024x768.
Наиболее серьезные требования к конфигурации компьютера из всех массово
продаваемых программ предъявляют компьютерные игры.
Надо сказать, что из простого развлечения геймеров игровые программы
превратились, вероятно, в основной двигатель прогресса компьютерной техники.
Именно для нужд геймеров выпускаются самые мощные ПК и самые изощренные
графические акселераторы.
Но тем не менее, многие современные компьютерные игры не требуют очень
мощных компьютеров: согласно регулярным публикациям в журнале Соmputеr
Priсе, большинство игр довольствуется минимальной конфигурацией:
микропроцессор Pеntium III 500-800 МГц, 64-128 Мбайт ОЗУ, 16-32 Мбайт
43
видеокарта; рекомендуемая конфигурация: Pеntium III 1,0-1,51Гц, 256Мбайт ОЗУ,
64Мбайт видеопамяти (вместо Pеntium может использоваться в обоих вариантах и
Аthlоn XP/64).
При работе с видео, например для оцифровки VHS-видеофильма, также
достаточен не очень мощный ПК - Pеntium/Аthlоn 1,5 ГГц, 256 Мбайт ОЗУ,
винчестер 10 Гбайт, видеокарта 64 Мбайт.
Все вышесказанное показывает, что нет необходимости покупать самый
навороченный ПК (тем более с самыми новыми технологиями - они стоят
непомерно дорого, а эффекта от них часто бывает чуть-чуть).
Конфигурацию ПК следует выбирать для предполагаемой предметной области
его использования, иногда немного «на вырост».
2.3 Компьютеры будущего
Если ранее мы рассматривали перспективные технологии развития «железа»,
сейчас хочется акцентировать свое внимание на том какими мы все таки можем
увидеть ПК в прогнозируемом будущем. На сегодняшний день выделяют 6
основных путей развития персонального компьютера. Рассмотрим каждый из них:
Оптический компьютер.
Оптический компьютер - это компьютер, основанный на использовании
оптических процессоров.
В отличие от обычных компьютеров, основанных на электронных
технологиях, в оптических компьютерах операции выполняются путём
манипуляции потоками оптического излучения, что позволяет достичь большей
производительности вычислений.
По сравнению с тем, что обещают молекулярные или биологические
компьютеры, оптические ПК могут показаться не очень впечатляющими. Однако
ввиду того, что оптоволокно стало предпочтительным материалом для
широкополосной связи, всем традиционным кремниевым устройствам, чтобы
передать информацию на расстояние нескольких миль, приходится каждый раз
44
преобразовывать электрические сигналы в световые и обратно.
Эти операции можно упростить, если заменить электронные компоненты
чисто оптическими.
Первыми станут оптические повторители и усилители оптоволоконных линий
дальней связи, которые позволят сохранять сигнал в световой форме при передаче
через все океаны и континенты.
Со временем и сами компьютеры перейдут на оптическую основу, хотя
первые модели, по-видимому, будут представлять собой гибриды с применением
света и электричества. Оптический компьютер может быть меньше электрического,
так как оптоволокно значительно тоньше (и быстрее) по сравнению с
сопоставимыми по ширине полосы пропускания электрическими проводниками.
По существу, применение электронных коммутаторов ограничивает
быстродействие сетей примерно 50 Гбит/с. Чтобы достичь терабитных скоростей
потребуются оптические коммутаторы (уже есть опытные образцы). Это объясняет,
почему в телекоммуникациях побеждает оптоволокно: оно дает тысячекратное
увеличение пропускной способности, причем мультиплексирование позволяет
повысить ее еще больше.
Инженеры пропускают по оптоволокну все больше и больше
коротковолновых световых лучей. В последнее время для управления ими
применяются чипы типа TI DMD с сотнями тысяч микрозеркал.
Если первые трансатлантические медные кабели позволяли передавать всего
2500 Кбит/с, то первое поколение оптоволоконных кабелей – уже 280 Мбит/с.
Кабель, проложенный сейчас, имеет теоретический предел пропускной способности
в 10 Гбит/сна один световой луч определенной длины волны в одном оптическом
волокне.
Оптические технологии позволяют получить некоторые преимущества по
сравнению с остальными. В частности:
- принципиальное повышение производительности
- возможное уменьшение размеров элементов схем
- снижается потребляемая мощность
45
Самый впечатляющий элемент оптического компьютера - это
голографический экран. В отличие от современных электронно-лучевого или
жидкокристаллического экранов, голографический экран может иметь
произвольный размер - например, во всю стену.
Он может быть плоским или объемным. Целиком оптические компьютеры
появятся через десятилетия, но работа в этом направлении идет сразу на нескольких
фронтах.
Например, ученые из университета Торонто создали молекулы жидких
кристаллов, управляющие светом в фотонном кристалле на базе кремния. Они
считают возможным создание оптических ключей и проводников, способных
выполнять все функции электронных компьютеров.
Однако прежде чем оптические компьютеры станут массовым продуктом, на
оптические компоненты, вероятно, перейдет вся система связи – вплоть до
«последней мили» на участке до дома или офиса. В ближайшие 15 лет оптические
коммутаторы, повторители, усилители и кабели заменят электрические компоненты.
Несмотря на то, что многие принципиальные вопросы на пути создания
оптических компьютеров уже решены, построение мощного законченного
работоспособного оптического компьютера все еще остается трудной технической
проблемой, неразрешимой при нынешнем уровне науки и техники. Специалисты
ожидали, что полноценный оптоэлектронный процессор появится к 2010 году. Но
этого не произошло и на сегодняшний день.
Прогнозируется, что оптический компьютер размером с ноутбук даст
обычному пользователю возможность разместить в нем едва ли не всю информацию
о мире, при этом компьютер сможет решать задачи любой сложности, в том числе
такие, с которыми сегодня едва справляются мощные серверы.
5
Взгляд изнутри на
оптический компьютер представлен на рис.3.(см. приложение С).
Нейрокомпьютер.
Нейрокомпьютинг - это научное направление, занимающееся разработкой
вычислительных систем шестого поколения - нейрокомпьютеров, которые состоят
5
http://science.kharkov.ua/artificial-intelligence/optical-computer.html
46
из большого числа параллельно работающих простых вычислительных элементов
(нейронов). Элементы связаны между собой, образуя нейронную сеть.
Они выполняют единообразные вычислительные действия и не требуют
внешнего управления.
Большое число параллельно работающих вычислительных элементов
обеспечивают высокое быстродействие.
В настоящее время разработка нейрокомпьютеров ведется в большинстве
промышленно развитых стран. Нейрокомпьютеры позволяют с высокой
эффективностью решать целый ряд интеллектуальных задач.
Это задачи распознавания образов, адаптивного управления, прогнозирования,
диагностики и т.д. Нейрокомпьютеры отличаются от ЭВМ предыдущих поколений
не просто большими возможностями. Принципиально меняется способ
использования машины. Место программирования занимает обучение,
нейрокомпьютер учится решать задачи.
Отличия нейрокомпьютеров от вычислительных устройств предыдущих
поколений:
- параллельная работа очень большого числа простых вычислительных
устройств обеспечивает огромное быстродействие;
- нейронная сеть способна к обучению, которое осуществляется путем
настройки параметров сети;
- высокая помехо- и отказоустойчивость нейронных сетей;
- простое строение отдельных нейронов позволяет использовать новые
физические принципы обработки информации для аппаратных реализаций
нейронных сетей.
Разработки в области нейрокомпьютинга ведутся по следующим
направлениям:
-разработка нейроалгоритмов;
-создание специализированного программного обеспечения для
моделирования нейронных сетей;
-разработка специализированных процессорных плат для имитации
47
нейросетей;
-электронные реализации нейронных сетей;
-оптоэлектронные реализации нейронных сетей.
Нейрокомпьютеры являются перспективным направлением развития
современной высокопроизводительной вычислительной техники, а теория
нейронных сетей и нейроматематика представляют собой приоритетные
направления российской вычислительной науки.
Основой активного развития нейрокомпьютеров является принципиальное
отличие нейросетевых алгоритмов решения задач от однопроцессорных,
малопроцессорных, а также транспьютерных.
Для данного направления развития вычислительной техники не так важен
уровень развития отечественной микроэлектроники, поэтому оно позволяет создать
основу построения российской элементной базы суперкомпьютеров.
В России уже успешно функционирует один из первых мощных
нейрокомпьютеров для финансового применения - CNAPS PC/128 на базе 4-х
нейроБИС фирмы Alaptive Solutions. По данным фирмы "Торацентр" в число
организаций, использующих нейронные сети для решения своих задач, уже вошли:
Центробанк, МЧС, Налоговая Инспекция, более 30 банков и более 60 финансовых
компаний.
Молекулярные компьютеры.
Что такое молекулярный компьютер? Это устройство, в котором вместо
кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы
и молекулярные ансамбли. В основе новой технологической эры лежат так
называемые «интеллектуальные молекулы».
Такие молекулы (или молекулярные ансамбли) могут существовать в двух
термодинамически устойчивых состояниях, каждое из которых имеет свои
физические и химические свойства. Переводить молекулу из одного состояния в
другое (переключать) можно с помощью света, тепла, химических агентов,
электрического и магнитного поля и т.д.
Фактически такие переключаемые бистабильные молекулы — это
48
наноразмерная двухбитовая система, воспроизводящая на молекулярном уровне
функцию классического транзистора.
Недавно компания Hewlett-Packard объявила о первых успехах в изготовлении
компонентов, из которых могут быть построены мощные молекулярные
компьютеры.
Ученые из НР и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе объявили о
том, что им удалось заставить молекулы ротаксана переходить из одного состояния
в другое - по существу, это означает созданиемолекулярного элемента памяти.
Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей,
способных выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Весь такой компьютер может
состоять из слоя проводников, проложенных в одном направлении, слоя молекул
ротаксана и слоя проводников, направленных в обратную сторону. Конфигурация
компонентов, состоящих из необходимого числа ячеек памяти и логических ключей,
создается электронным способом. По оценкам ученых НР, подобный компьютер
будет в 100 млрд. раз экономичнее современных микропроцессоров, занимая во
много раз меньше места.
Сама идея этих логических элементов не является революционной:
кремниевые микросхемы содержат миллиарды точно таких же.
Но преимущества в потребляемой энергии и размерах способны сделать
компьютеры вездесущими. Молекулярный компьютер размером с песчинку может
содержать миллиарды молекул.
А если научиться делать компьютеры не трехслойными, а трехмерными,
преодолев ограничения процесса плоской литографии, применяемого для
изготовления микропроцессоров сегодня, преимущества станут еще больше. Первые
опыты с молекулярными устройствами еще не гарантируют появления таких
компьютеров, однако массовое производство действующего молекулярного
компьютера вполне может начаться где-нибудь между 2013 и 2015 годами.
ДНК-компьютер.
ДНК или биокомпьютеры. Применение в вычислительной технике
биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до
49
размеров живой клетки. Пока эта чашка Петри, наполненная спиралями ДНК, или
нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам. По
существу, наши собственные клетки – это не что иное, как
биомашинымолекулярного размера, а примером биокомпьютера, конечно, служит
наш мозг.
Ихуд Шапиро (EhudShapiro) из Вейцманоского института естественных наук
соорудил пластмассовую модель биологического компьютера высотой 30 см. Если
бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул, его размер был
бы равен размеру одного из компонентов клетки – 0,000025 мм. По мнению
Шапиро, современные достижения в области сборки молекул позволяют создавать
устройства клеточного размера, которое можно применять для биомониторинга.
Более традиционные ДНК-компьютеры в настоящее время используются для
расшифровки генома живых существ. Пробы ДНК применяются для определения
характеристик другого генетического материала: благодаря правилам спаривания
спиралей ДНК, можно определить возможное расположение четырех базовых
аминокислот (A, C, T и G).
Чтобы давать полезную информацию, цепочки ДНК должны содержать по
одному базовому элементу. Это достигается при помощи луча света и маски. Для
получения ответа на тот или иной вопрос, относящийся к геному, может
потребоваться до 80 масок, при помощи которых создается специальный чип
стоимостью более 12 тыс. дол. Здесь-то и пригодилась микросхема DMD от
TexasInstruments: ее микрозеркала, направляя свет, исключают потребность в
масках.
Билл Дитто (BillDitto) из Технологического института штата Джорджия
провел интересный эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким
нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны
образуют новые взаимосвязи. Вероятно, биологические компьютеры, состоящие из
нейроподобных элементов, в отличие от кремниевых устройств, смогут искать
нужные решения посредством самопрограммирования. Диттонамерен использовать
результаты своей работы для создания мозга роботов будущего.
50
Иными словами ДНК компьютер это - молекулярный вычислительный
автомат, работающий на основе молекул ДНК, способен к обучению и успешно
реализовывать стратегию логических игр.
Это устройство может применяться при поиске генетических нарушений и
лечении болезней, которые они вызывают. ДНК-компьютер можно
перепрограммировать на другую стратегию, которую он также начинает успешно
применять.
Важность этой работы, по словам ученых, состоит в возможности создания
молекулярной системы, которая будет способна выполнять принципиально разные
задачи, обучение и дальнейший анализ ситуации с принятием решения.
Эти молекулярные автоматы можно рассматривать как модельные системы,
имеющие практическое применение, прежде всего в биологии. Основанные на
молекулах нуклеиновых кислот логические элементы являются биосовместимыми, а
потому могут быть использованы как для диагностики, так и для терапии различных
генетических заболеваний.
Квантовый компьютер.
Это проект компьютера, использующего для вычислений принципы квантовой
теории. Схематическую структуру можно увидеть на рисунке 6.
Рисунок 6 - Схематическая структура квантового компьютера
Теоретически квантовые компьютеры способны решать переборные задачи за
время прямо пропорциональное сложности задачи.
Прежде всего, делается упор на то, что при наличии подходящих технологий