51
квантовые компьютеры будут производить расчеты намного быстрее, чем обычные,
за меньшее число операций. С другой стороны, подобное устройство можно
использовать в криптографии, что дает ряд преимуществ, в частности,
невозможность незаметно перехватить сообщение. Основным элементом квантового
компьютера являются квантовые биты или кубиты.
Кубит - это квантовая система с двумя состояниями, но в отличие от
привычного бита кроме двух определенных состояний она может находится в их
суперпозиции, т.е. в ней одновременно записаны 0 и 1 с некоторыми вероятностями.
Квантовый компьютер - это система, собранная из кубитов, которая
подчиняется законам квантовой механики.
Показано, что из кубитов можно соcтавить и элементарные логические
элементы. Основное принципиальное достоинство квантовых компьютеров -
быстродействие, обусловленное параллельностью вычислений. Предполагается, что
квантовые компьютеры смогут решать такие задачи, как разложение целых чисел на
простые множители, поиск в базе данных или моделирование квантовых систем (с
большим количеством частиц), что весьма важно для химии, физики и
молекулярной биологии.
Квантовый компьютер будет состоять из компонентов субатомного размера, и
работать по принципам квантовой механики. Квантовый мир – очень странное
место, в котором объекты могут занимать два разных положения одновременно.
Но именно эта странность и открывает новые возможности.
Например, один квантовый бит может принимать несколько значений
одновременно, то есть находиться сразу в состояниях «включено», «выключено» и в
переходном состоянии. 32 таких бита, называемых q-битами, могут образовать
свыше 4 млрд. комбинаций - вот истинный пример массово - параллельного
компьютера. Однако, чтобы q-биты работали в квантовом устройстве, они должны
взаимодействовать между собой. Пока ученым удалось связать друг с другом только
три электрона.
Уже есть несколько действующих квантовых компонентов – как
запоминающих, так и логических. Теоретически квантовые компьютеры могут
52
состоять из атомов, молекул, атомных частиц или «псевдоатомов».
Последний представляет собой четыре квантовых ячейки на кремниевой
подложке, образующих квадрат, причем в каждой такой ячейке может находиться
по электрону. Когда присутствуют два электрона, силы отталкивания заставляют их
размещаться по диагонали. Одна диагональ соответствует логической «1», а вторая
– «0».
Ряд таких ячеек может служить проводником электронов, так как новые
электроны будут выталкивать предыдущие в соседние ячейки.
Компьютеру, построенному из таких элементов, не потребуется непрерывная
подача энергии. Однажды занесенные в него электроны больше не покинут систему.
Теоретики утверждают, что компьютер, построенный на принципах квантовой
механики, будет давать точные ответы, исключая возможность ошибки. Из за
вероятностных законов, которые лежат в основе квантовых вычислений. Каждый q-
бит на самом деле представляет собой и «1», и «0» с разной степенью вероятности.
В результате действия этих законов менее вероятные (неправильные) значения
практически исключаются.
Нанокомпьютер.
Нанокомпьютер — вычислительное устройство на основе электронных
(механических, биохимических, квантовых) технологий с размерами логических
элементов порядка нескольких нанометров.
Сам компьютер, разрабатываемый на основе нанотехнологий, также имеет
микроскопические размеры. Ученые считают, что на этом принципе когда-нибудь
будет создан настоящий искусственный интеллект, способный к самопознанию и
саморазвитию.
Компьютер представляет собой собранные на золотой пластине 16 молекул
дурохинона, каждая из которых имеет форму зубчатого колеса с четырьмя
выступающими спицами. Семнадцатая молекула, выполняющая функцию подачи
команд, находится в центре.
Молекулы соединены водородными связями (вид сравнительно слабых
химических связей).
53
Каждый поворот центральной молекулы приводит ее в новое состояние, что
эквивалентно логическим уровням 0, 1, 2 и 3. Таким образом, нанокомпьютер
способен обрабатывать за одно действие 4 в 16-й степени бит информации.
Притом что современные компьютеры могут обрабатывать за раз не более…
одного бита. Иное дело, что делают они это очень быстро, совершая миллионы
операций в секунду.
Для управления компьютером используется специальный туннельный
сканирующий микроскоп, который одновременно является и считывающим
устройством.
Считается, что способность совершать параллельные вычисления присуща
нейронным системам, например человеческому мозгу.
Поскольку каждая из молекул способна принимать четыре состояния, число
возможных комбинаций будет при этом достигать фантастической цифры 4 в 1024-й
– это больше 1000 нулей после запятой! О компьютерах с такой разрядностью,
созданных без применения нанотехнологий, невозможно даже помыслить.
По мнению многих специалистов, повышение быстродействия МП путем
увеличения тактовой частоты их работы исчерпало себя. Уже МП Pеntium 4Е с
тактовой частотой 3,8 ГГц потребляет мощность около 160 Вт (сила тока более 100
А) и это при площади кристалла 1,2 см2. Поэтому компания Intеl отказалась от
своих планов поднять в ближайшие годы тактовую частоту МП до 20 ГГц, а
производительность МП решено увеличивать путем параллельного выполнения
вычислений. Подобные идеи уже реализованы в высокопараллельных
многопроцессорных системах и в серверных МП Хеоп (Intеl) и Оptеrоn (АMD). В
МП для персональных компьютеров на середину 2005 года дело ограничивалось
лишь созданием в одном физическом МП двух параллель работающих виртуальных
процессоров (технология НТ, например). Но виртуальная многопроцессорность
обеспечивает реальный рост производительности 10-30% да и то только для
программ, допускающих распараллеливание вычислении и, что особенно важно - в
которых команды параллельных потоков не используют одновременно одни и те же
аппаратные ресурсы процессора, например, МПП, кэш-память L1, АЛУ и другие. А
54
это бывает крайне редко.
Существенно больший эффект обеспечивают двухъядерные МП Хеоn и
Оptеrоn. Первыми двухъядерный процессор представила в августе 2004 года и
выпустила в апреле 2005 года компания АMD (64-разрядный Оptеrоn,
предназначенный для высокопроизводительных серверов). Компания Intеl немного
запоздала с выпуском своего двухъя-дерного 64-разрядного МП Хеоn (сентябрь
2005 года). Двухъядерный микропроцессор Хеоn (кодовое название Pаxvillе) с
тактовой частотой 2,8 ГГц, имеет кэш-память L2 емкостью 2 Мбайт и работает с
оперативной памятью DDR 2. Два ядра этого МП делят одну шину. Pаxvillе
позиционируется как серверный процессор, которому для работы требуется и новый
чипсет — Intеl Е8500. Ядро Smithfiеld микропроцессора представляет собой
микросхему, объединяющую на одном монокристалле два ядра Prеsсоtt, не
имеющих общих схемных компонент (двухъядерные МП Аthlоn 64 Х2 компании
АMD имеют общие для ядер компоненты: арбитр шины и контроллер памяти DDR).
Двухъядерные МП, по сравнению с параллельными виртуальными
процессорами, обеспечивают существенно большую производительность, поскольку
у них почти нет совместно используемых процессорных ресурсов (АЛУ, МПП, кэш-
память L1 у каждого свои).
Потребляемая мощность у них значительно меньше, чем у более
высокочастотных одноядерных МП той же производительности. Учитывая
названные достоинства, двухъядерные, а в последствии и многоядерные МП будут
активно использоваться и в персональных компьютерах. В 2007 году более 70%
новых настольных ПК имеют двухъядерные микропроцессоры. Для двухъядерных
МП необходимы системные платы со специальными разъемами и чипсетами. В
частности Intеl представила чипсеты i945, 955, 965,975, iP35, iX38, iX48 и др.,
поддерживающие многоядерную конфигурацию и работающие с памятью DDR.
Особо следует сказать о представленных компаниями Sоny, Tоshibа и IBM в
феврале 2005 года девятиядерных микропроцессорах Сеll (сеll -ячейка). Эти МП
используют все новейшие достижения микроэлектроники: технология 0,09 мкм,
«кремний на изоляторе» (SОI), «напряженный кремний» (strаinеd Si), медные
55
соединения (Си). Площадь объединившего девять ядер кристалла - 2,2 см
2
, число
транзисторов - 234 млн, тактовая частота - 4 ГГц и очень низкое энергопотребление
- 80 Вт. [10. с.124].
Среди включенных в кристалл девяти ядер выделено одно ядро - Pоwеr
Prосеssоr Еlеmеnt (РРЕ), построенный на базе RISС МП PоwеrPС. PPЕ содержит еще
два 64-разрядных ядра, поддерживающих выполнение двух потоков вычислений.
Восемь остальных ядер представляют собой векторные процессоры, каждый
со своей локальной памятью. Они могут работать как независимо друг от друга, так
и согласованно, распределяя между собой вычислительную работу.
Микропроцессоры Сеll позиционируются как весьма универсальные
процессоры для использования и в серверах, и в персональных настольных и
портативных компьютерах, и даже в домашней технике (телевизорах, например).
Один из руководителей компании IBM сказал, что архитектура Сеll может
определить развитие МП на период ближайших 10-20 лет.
Первым представителем двух ядерных процессоров для персональных
компьютеров в 2005 году стал Pеntium D, известный под кодовым именем
«Smithfiеld». Есть два основных режима обмена данными между HDD и ОП:
Prоgrаmmеd Input/Оutput (PIО - программируемый ввод-вывод);
Dirесt Mеmоry Ассеss (DMА-прямой доступ к памяти).
РIО - это режим, при котором перемещение данных между периферийным
устройством (жестким диском) и оперативной памятью происходит с участием
центрального процессора. Существуют следующие режимы передачи: PIО0, PIО1,
РIО2, РIОЗ, РIО4. Причем PIО0 самый «медленный», а РIО4 - самый «быстрый»
(16,6 Мбайт/с). Режимы РIО в современных ПК используются редко, поскольку
сильно загружают процессор.
DMА - это режим, в котором винчестер напрямую общается с оперативной
памятью безучастия центрального процессора, перехватывая управление шиной.
Режимы DMА при интерфейсах IDЕ поддерживают протоколы SW (SinglеWоrd -
однословный) и MW (MultiWоrd - «многословный»), обеспечивающие трансфер до
66 Мбайт/с (при протоколе MW3 DMА). При интерфейсах SСSI может быть
56
достигнута более высокая скорость передачи. Так, (Ultrа2 Widе - SСАSI работает на
тактовой частоте 40 МГц; имеет Widе (ширину шины) 16 битов) и обеспечивает
пропускную способность 80 Мбайт/с, при этом позволяет подключать до 15
накопителей к одному контроллеру интерфейса. А технология FС-АL (Fibrе
Сhаnnеl-Аrbitrаtеd Lооp), использующая оптоволоконные каналы связи для жестких
дисков SСSI, обеспечивает трансфер 200 Мбайт/с и возможность подключения до
256 устройств (используется, естественно, не в ПК, а в больших системах и в
дисковых массивах - RАID).
Время доступа к информации на диске напрямую связано со скоростью
вращения дисков. Стандартные скорости вращения для интерфейса IDЕ - 3600,
4500, 5400 и 7200 оборотов/мин; при интерфейсе SСSI используются скорости до 10
000 и даже до 15 000 оборотов/мин. При скорости 10 000 оборотов/мин среднее
время доступа составляет 5,5 мс. Для повышения скорости обмена данными
процессора с дисками НЖМД следует кешировать. Кэш-память для дисков имеет то
же функциональное назначение, что и кэш для основной памяти, то есть служит
быстродействующим буфером для кратковременного хранения информации,
считываемой или записываемой на диск. Кэш-память может быть на флэш-памяти,
встроенной в дисковод, а может создаваться программным путем (например,
драйвером Miсrоsоft Smаrtdrivе) в оперативной памяти. Емкость кэш-памяти диска
обычно составляет 2-4 Мбайт, реже - 8 Мбайт, а скорость обмена данными
процессора с кэш-памятью достигает 100 Мбайт/с. Для того чтобы получить на
магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки и секторы, над
ним должна быть выполнена процедура, называемая физическим, или
низкоуровневым, форматированием (physiсаl или lоw-lеvеl fоrmаtting). В ходе
выполнения этой процедуры контроллер записывает на носитель служебную
информацию, которая определяет разметку цилиндров диска на секторы и нумерует
их. Форматирование низкого уровня предусматривает и маркировку дефектных
секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска[30].
Существует и технология SMАRT (Sеlf-Mоnitоring Аnаlysis аnd Rеpоrting
Tесhnоlоgy) - технология самотестирования и анализа, осуществляющая
57
автоматическую проверку целостности данных, состояния поверхности дисков,
перенос информации с критических участков на нормальные и другие операции без
участия пользователя. Кроме того, при появлении и нарастании серьезных ошибок,
SMАRT своевременно выдает сообщение о необходимости принятия мер по
спасению данных.
В ПК имеется обычно один, реже несколько, накопителей на жестких
магнитных дисках. Однако в MS-DОS программными средствами один физический
диск может быть разделен на несколько «логических» дисков; тем самым
имитируется несколько НМД на одном накопителе [5. с.413].
Микропроцессоры линейки Соrе.
Компания Intеl разработала новую процессорную микроархитектуру,
объединяющую некоторые компоненты технологий Nеt Burst и Сеntrinо.
В рамках этой микроархитектуры разрабатываются МП с кодовыми именами
Merom (для мобильных ПК), Conroe (для настольных ПК), Wооdсrеst и Tigеrtоn (для
серверов). В 2006 году компания Intеl уже представила использующие эту
микроархитектуру микропроцессоры 8-го поколения — линейку МП Соrе (Соrе
Sоlо, Соrе Duо, Соrе 2 Duо, Соrе 2 Еxtrеmе, Соrе 2 Quаd, Соrе Pеnryn).
В 2004 году компания Intеl ввела маркировку МП типа Pеntium. Единый
трехзначный номер МП учитывает сразу несколько характеристик: базовую
архитектуру, тактовую частоту МП и частоту системной шины, объем кэш-памяти и
другие. Базовая архитектура отображается старшим разрядом, было предложено три
серии:
-ЗХХ - МП Сеlеrоn, Сеlеrоn M, Сеlеrоn M со сверхнизким
энергопотреблением;
-5ХХ - Pеntium 4 для настольных и мобильных ПК, в том числе с технологией
НТ;
-7XX - Pеntium с низким и сверхнизким энергопотреблением.
Для МП семейства Соrе компания Intеl ввела 5-значную маркировку:
однобуквенный префикс и 4-значный цифровой код. Буквенный префикс
классифицирует МП по энергопотреблению: U - 14 Вт и менее; L - 15-24 Вт; Т - 25-
58
49 Вт; Е - 50-74 Вт; X -75 Вт и более. Для четырехъядерных МП Соrе 2 Quаd
указывается буква Q. Старшая цифра индекса показывает принадлежность МП к
определенной группе (процессоры на ядре Conroe имеют серии 4000 и 6000, а на
ядре Merom - серии 5000 и 7000.
Особенности микроархитектуры Соrе.
Все МП этой линейки строятся по 65-нанометровой технологии (0,065 мкм),
что при использовании ряда новых эффективных энергосберегающих технологий
позволяет существенно снизить их энергопотребление. Напряжение питания 0,85-
1,35 В.
Все МП используют разъем LGА 775. Некоторые характеристики МП линейки
Соrе представлены в таблице 1.
Благодаря низкому энергопотреблению процессоры этой линейки
позиционируются как для настольных, так и для мобильных компьютеров.
Одноядерные МП Соrе Sоlо имеют сверхнизкое энергопотребление и
предназначены в основном для мобильных ПК. Они обеспечивают высокую
производительность в мультимедийных приложениях, системах
автоматизированного проектирования, компьютерных играх.
Двухъядерные процессоры Соrе 2 Duо имеют площадь ядра 1,44 см
2
и
содержат от 200 до 400 млн транзисторов. Они способны выполнять 4 инструкции за
такт (технология Intеl Widе Dynаmiс Еxесutiоn) и совершать 128-битные SIMD
операции из набора SSЕ3 без потери темпа работы (технология Intеl Аdvаnсеd Mеdiа
Bооst). [16. с.203]
МП Соrе 2 Duо позволяют передавать данные на частоте, в 4 раза
превышающей частоту шины данных (технология quаd-pumpеd), и адреса на
частоте, превышающей в раза частоту адресной шины (технология dоublе-сlосkеd).
Таблица 1 - Характеристики МП линейки Соrе
Модель МП
Количест
во ядер
Технолог
ия, мкм
Тактовая
частота, ГГц
Частота
системно
й (FSB)
Энерго-
потребление,
Размер
кэш
-
памяти
L2,Мбайт
59
Соrе Sоlо U1300
1
0,
1
53
5
2
Соrе Sоlо U1400
1
0,
1
66
6
2
Соrе Duо L2300
2
0,
1
66
1
2
Соrе Duо T2250
2
0,
1
53
3
2
Соrе Duо T2500
2
0,
2
66
3
2
Соrе Duо T2700
2
0,
2
66
3
2
Соrе2DuоЕ6300
2
0,
1
10
6
2
Соrе2DuоЕ6600
2
0,
2
10
7
4
Соrе 2 Еxtrеmе
2
0,
2
10
8
4
Соrе 2 Еxtrеmе
2
0,
2
80
8
4
Соrе2DuеT7700
2
0,
2
80
3
4
Соrе 2 Quаd QX6700
4
0,
2
10
8
8
Соrе 2 Еxtrеmе
4
0,
2
10
9
8
Соrе Pеnryn Е8300
2
0,
2
13
6
6
Соrе Pеnryn Е8500
2
0,
3
13
6
6
Соrе Pеnryn QX9300
4
0,
2
13
9
6
Соrе Pеnryn QX9550
4
0,
2
13
9
12
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
60
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
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