«Финансовый университет
при Правительстве Российской
Федерации»
(Финуниверситет)
Уфимский филиал
Финуниверситета
РЕФЕРАТ
по дисциплине
«Информатика»
на тему
«Компьютеры будущего»
Выполнил:
студент группы БД-26-13
Коптелов Д.О
Проверил:
Преподователь
Шершова М.Л
Оценка:_________________
«__»______________201_г.
УФА 2014
Содержание
Введение
Уже в начале следующего года
в свободной продаже должен появиться
новый вид памяти NRAM (nonvolatile random-access memory).
Это будет первое компьютерное устройство,
созданное с использованием нано-технологий
(отдельные части памяти будут размером
всего в несколько миллиардных долей метра,
то есть в несколько атомов). Эксперты
предрекают, что NRAM произведет революцию
в области устройств хранения информации
и полностью заменит существующие виды
памяти уже к 2006-2007 году. Характеристики
новой памяти кажутся просто фантастическими:
использование нано-технологий позволяет
увеличить плотность записи информации
почти в 100 раз и скорость обмена информаций
- почти во столько же. В результате минимальная
емкость новой памяти будет составлять
10 Гбайт. А уже к середине следующего года
производители обещают выйти на 50-гигобайтный
уровень, что сопоставимо с емкостью жестких
дисков современных винчестеров. Используемая
сейчас память DDR хотя и появилась всего
около года назад, но конкурировать с нано-технологией
она не в состоянии: максимальный объем
такой памяти ограничен сейчас 2 Гбайтами,
а 10 Гбайт, с которых начинается NRAM, считается
технологическим пределом DDR. Такие характеристики
позволят нано-разработкам очень быстро
вытеснить все существующие виды памяти,
предрекают эксперты.
Но одной памятью применение
нано-технологий не ограничивается. Нано-устройства
постепенно выходят из лабораторий. Если
в прошлом году объем рынка нано-технологий
составил всего 2,5 млрд. евро, то уже в 2010
году, по прогнозам специалистов, он достигнет
100 млрд. евро, а к 2015 году - превысит 1 трлн.
евро. И это не предел, а вполне возможно,
весьма заниженные оценки. Ведь нано-технологии
могут применяться во всех отраслях: от
авиастроения до производства одежды
и лекарств.
Молекулярные
компьютеры
Недавно компания Hewlett-Packard объявила
о первых успехах в изготовлении компонентов,
из которых могут быть построены мощные
молекулярные компьютеры. Ученые из HP
и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе
(UCLA) объявили о том, что им удалось заставить
молекулы ротаксана переходить из одного
состояния в другое - по существу, это означает
создание молекулярного 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 HP, 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 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.
Кроме того, молекулярные технологии
сулят появление микромашин, способных
перемещаться и прилагать усилие. Причем
для создания таких устройств можно применять
даже традиционные технологии травления.
Когда-нибудь эти микромашины будут самостоятельно
заниматься сборкой компонентов молекулярного
или атомного размера.
Первые опыты с молекулярными устройствами
еще не гарантируют появления таких компьютеров,
однако это именно тот путь, который предначертан
всей историей предыдущих достижений.
Массовое производство действующего молекулярного
компьютера вполне может начаться где-нибудь
между 2015 и 2025 годами.
На (рис.1) был построен прототип системы
памяти, в котором бактериородопсин запоминает
данные в трехмерной матрице. Такая матрица
представляет собой кювету (прозрачный
сосуд), заполненную полиакридным гелем,
в который помещен протеин. Кювета имеет
продолговатую форму размером 1x1x2 дюйма.
Протеин, который находится в bR-состоянии,
фиксируется в пространстве при полимеризации
геля. Кювету окружают батарея лазеров
и детекторная матрица, построенная на
базе прибора, использующего принцип зарядовой
инжекции которые служат для записи и
чтения данных.
Прототип молекулярной
памяти (рис.1)
Биокомпьютеры
Применение в вычислительной
технике биологических материалов позволит
со временем уменьшить компьютеры до 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 биомашины молекулярного
размера, а примером биокомпьютера, конечно,
служит наш мозг.
Ихуд Шапиро (Ehud Shapiro) 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 Texas Instruments:
ее микрозеркала, направляя свет, исключают
потребность в масках.
Билл Дитто (Bill Ditto) 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.
Дитто намерен использовать результаты
своей работы для создания мозга роботов
будущего.
Биологический аналоговый компьютер (рис.2)
Оптические
компьютеры
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 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 как света, так 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, необходимых
для передачи видео по Интернету, потребуются
оптические коммутаторы. 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/с на один световой
луч определенной длины волны в одном
оптоволокне.
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.
Оптические транзисторы
(рис.3)
Квантовые
компьютеры
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-паралельного
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 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. Так как в основе квантовых
вычислений лежат вероятностные законы,
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.
Насколько близко мы подошли
к действующему квантовому компьютеру?
Прежде всего необходимо создать элементы
проводников, памяти и логики. Кроме того,
эти простые элементы нужно заставить
взаимодействовать друг с другом. Наконец,
нужно встроить узлы в полноценные функциональные
чипы и научиться тиражировать их. По оценкам
ученных, прототипы таких компьютеров
могут появиться уже в 2015 году, а в 2020-2030
годах должно начаться их массовое производство.
Что дальше?
Термин "квантовый скачок"
означает, что в квантовом мире изменения
происходят скачками. Похоже, что где-то
около 2020 года, если не раньше, подобный
скачок произойдет и в вычислительной
технике: к тому времени мы перейдем от
традиционных кремниевых полупроводников
к более совершенным технологиям.
Результатом станут намного
более компактные, быстродействующие
и дешевые компьютеры. Появится возможность
наделять любые промышленные продукты
определенными интеллектуальными и коммуникационными
способностями. Банка кока-колы помещенная
в холодильник, на самом деле будет саморегистрироваться
в его сети; предметы - автоматически упорядочиваться.
Каждый человек ежесекундно будет пользоваться
Сетью, хотя за большинством обращений
к нему будут следить специальные устройства,
автоматически отвечая на вызовы или переадресовывая
их в службу передачи сообщений.
К 2030 году может начаться распространение
вживленных устройств с прямым доступом
к нейронам. Ближе к середине столетия
в мире киберпространства будут царить
микро- и наноустройства (интеллектуальная
пыль). К тому времени Интернет будет представлять
собой отображение всего реального мира.
Представьте себе мир, окутанный беспроводной
сетью данных, по которой путешествуют
огромные объемы информации. Тогда такие
фантастические и мистические явления,
как телепатия и телекинез, станут самым
простым проявлением Всемирной сети. Грубо
говоря, телепатия будет выглядеть как
сгенерированная вашими нейронами информация,
путешествуя в пакетах к другим нейронам
для расшифровки.
Napkin PC (рис.4)
Napkin PC (рис.3), что дословно
можно перевести как компьютер-салфетка.Теоретически
такой компьютер будет работать так: специальные
ручки будут взаимодействовать на коротких
волнах с «салфеткой», представляющей
собой листок электронной бумаги с поддержкой
multi-touch; помимо этого, ручки и салфетки
будут взаимодействовать с компьютером-базой
(на длинных волнах). Таким образом, для
каждой новой идеи, вас посетившей, можно
будет просто взять новую салфетку и написать/изобразить
все на ней. Еще одним важным преимуществом
такого компьютера является тот факт,
что электронная бумага потребляет настолько
мало энергии, что ей будет достаточно
индукционного источника питания.