Файл: Технологии программирования. История развития средств вычислительной техники.pdf

Нейрокомпьютер-устройство переработки информации на основе принципов работы естественных нейронных систем (нейрокомпьютеры - это системы, в которых алгоритм решения задачи представлен логической сетью элементов частного вида - нейронов с полным отказом от булевских элементов типа И, ИЛИ, НЕ).

Три основных преимущества нейрокомпьютеров:

- все алгоритмы нейроинформатики высокопараллельны, а это уже залог высокого быстродействия

- нейросистемы можно легко сделать очень устойчивыми к помехам и разрушениям

- устойчивые и надежные нейросистемы могут создаваться и из ненадежных элементов, имеющих значительный разброс параметров

В нейрокомпьютинге постепенно созревает новое направление, основанное на соединении биологических нейронов с электронными элементами. По аналогии с Software (программное обеспечение – «мягкий продукт») и Hardware (электронное аппаратное обеспечение – «твердый продукт»), эти разработки получили наименование Wetware «влажный продукт». Протезирование («умные протезы») и усиление естественных функций, в том числе – за счёт прямого подключения нервной системы человека к компьютерам (Нейрокомпьютерный) [4].

Квантовый компьютер – это компьютер, в котором в качестве битов выступают квантовые объекты, например спины электронов или ядер. Такой компьютер станет ещё одним шагом вперёд по сравнению с молекулярным. В квантовом компьютере вместо значений „0“ или „1“, как у классического бита, у нас будет квантовый бит (ку-бит). Кубит может принимать несколько различных значений – нормированных комбинаций двух основных состояний спина, что даёт большое число сочетаний (рис 12). Так, 32 кубита могут образовать около 4 миллиардов состояний, а при наборе из 300 кубитов квантовый компьютер в принципе способен найти 2300 возможных решений – это число примерно равно числу всех элементарных частиц во Вселенной. Уже разработаны алгоритмы для квантовых компьютеров, причём значительный вклад в эту работу внесён отечественными учёными.

Может показаться, что квантовый компьютер – это разновидность аналоговой вычислительной машины. Но это не так: по своей сути это цифровое устройство, но с аналоговой природой.

Основные проблемы, связанные с созданием и применением квантовых компьютеров:

- необходимо обеспечить высокую точность измерений;

- внешние воздействия могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения.

Применение идей квантовой механики уже открыли новую эпоху в области криптографии, так как методы квантовой криптографии открывают новые возможности в области передачи сообщений. Прототипы систем подобного рода находятся на стадии разработки.

---

В 1974 г. IBM получило вещество, молекула которого обладает свойствами диода. Из нее можно сделать аналог транзистора, а из двух - аналог триггера. Переключения из одного состояния в другой осуществляется с помощью света или слабого электрического поля. При этом тактовая частота процессора возрастет до 1 ТГц. Возможно построение белковой памяти, создание ЭВМ на ДНК. 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 наноразмерная двухбитовая система, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора.

ДНК-компьютер – вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК [22, c. 65].

В 1994 году Леонард Адлеман, профессор университета Южной Калифорнии, продемонстрировал, что с помощью пробирки с ДНК можно весьма эффектно решать классическую комбинаторную «задачу о коммивояжере» (кратчайший маршрут обхода вершин графа). Классические компьютерные архитектуры требуют множества вычислений с опробованием каждого варианта. Метод ДНК позволяет сразу сгенерировать все возможные варианты решений с помощью известных биохимических реакций. Затем возможно быстро отфильтровать именно ту молекулу-нить, в которой закодирован нужный ответ.

Проблемы, возникающие при этом:

- требуется чрезвычайно трудоёмкая серия реакций, проводимых под тщательным наблюдением

- существует проблема масштабирования задачи.

Конечный биоавтомат Шапиро – технология многоцелевого ДНК-компьютера, разрабатываемая израильским профессором Эхудом Шапиро (en:Ehud Shapiro) из Вейцмановского института. Его основой являются уже известные свойства биомолекул, таких как ДНК и ферменты. Функционирование ДНК-компьютера сходно с функционированием теоретического устройства, известного в математике как «конечный автомат» или машина Тьюринга.

Нейроны-улитки на кремниевом чипе. Нельзя не сказать и о ещё одном направлении научного поиска. В Германии, в Институте Макса Планка, срастили неорганический кремниевый чип с нейронами улитки. Самое главное, что нейроны ответили на импульс, изначально поданный на кремниевую пластину, и наоборот. Уникальное сочетание химии, биологии и физики в полной гармонии!

---

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. Теория нанокомпьютеров до сих пор не имеет под собой логических обоснований.

Свой небольшой обзор того состояния, в котором сейчас находятся информационные технологии, хотелось бы закончить словами У. Черчилля, которые он произнёс, конечно, не о молекулярных компьютерах, а о переломе в военных действиях во Второй мировой войне: «Это ещё не конец, это даже не начало конца. Но возможно это – конец начала» [1, c. 69].

По словам учёных и исследователей, в ближайшем будущем персональные компьютеры кардинально изменятся, так как уже сегодня ведутся разработки новейших технологий, которые ранее никогда не применялись. Примерно в 2020-2025 годах должны появиться молекулярные компьютеры, квантовые компьютеры, биокомпьютеры и оптические компьютеры, которые должны облегчить и упростить жизнь человека ещё в десятки раз! Компьютерная техника развивается с сумасшедшей скоростью и иногда очень сложно уследить или идти за ней в ногу. Но мы можем сказать с полной уверенностью, что высокие технологии – это наше будущее и это успех всего человечества. На этом процесс развития далеко не остановлен.

Заключение

Первой реально созданной машиной для выполнения арифметических действий в десятичной системе счисления можно считать счетную машину Паскаля. В 1642 году Паскаль продемонстрировал ее работу. Машина выполняла суммирование чисел (восьмиразрядных) c помощью колес, которые при добавлении единицы поворачивались на 360 и приводили в движение следующее по старшинству колесо всякий раз, когда цифра 9 должна была перейти в значение 10. Машина Паскаля получила известность во многих странах, было изготовлено более 50 экземпляров машин.

Впрочем, еще до Паскаля машину, механически выполняющую арифметические операции, изобразил в эскизах Леонардо да Винчи (1452-1519). Суммирующая машина по его эскизам выполнена в наши дни и доказала свою работоспособность.

В средние века (расцвет механики) было предложено и выполнено много различных вариантов арифметических машин: Морлэнд (1625-1695), К. Перро (1613-1688), Якобсон, Чебышев и др. Первую машину, с помощью которой можно было не только складывать, но и умножать и делить разработал Г. Лейбниц (1646-1716). Однако большинство подобных машин изготавливались авторами в единичных экземплярах. Удачное решение инженера В. Однера, разработавшего колесо с переменным числом зубьев, позволило почти век спустя серийно выпускать арифмометры (например, «Феликс» Курского завода «Счетмаш»), являвшиеся основным средством вычислений вплоть до эпохи ПЭВМ и калькуляторов.

---

Все упомянутые выше механизмы обладали одной особенностью – могли автоматически выполнять только отдельные действия над числами, но не могли хранить промежуточные результаты и, следовательно, выполнять последовательность действий.

Первой вычислительной машиной, реализующей автоматическое выполнение последовательности действий, можно считать разностную машину великого англичанина Ч. Бэббиджа (1792-1871). В 1819 году он изготовил ее для расчета астрономических и морских таблиц. Машина обеспечивала хранение необходимых промежуточных значений и выполнение последовательности сложений для получения значения функции. В дальнейшем Бэббидж предложил т.н. аналитическую машину, предназначенную для решения любых вычислительных задач. При желании в аналитической машине Бэббиджа можно найти прообразы всех основных устройств современной ЭВМ: арифметическое устройство («мельница»), память («склад»), устройство управления (на перфокартах), позволяющее выбирать различные пути решения в зависимости от значений исходных данных и промежуточных результатов. Проект аналитической машины Бэббиджа так и не был реализован – из-за несоответствия идеи и элементной базы.

Даже выпускаемые большими сериями электрические релейные машины Холлерита (1860-1929) – табуляторы – не произвели переворота в средствах обработки информации вплоть до 70-х годов прошлого века.

Идеи аналитической машины Бэббиджа были использованы в релейных машинах, выпускавшихся в 30 – 40-х годах ХХ века. Теоретической основой разработки релейно-контактных схем явился аппарат булевой алгебры, который в дальнейшем использовался для синтеза схем ЭВМ. Однако и электрическое реле как элементная база вычислительной техники не удовлетворяли потребностям этой техники по всем основным параметрам (быстродействие, надежность, потребляемая мощность, стоимость, габариты и др.)

Только освоение электронных схем в качестве элементной базы положило начало действительно массовому внедрению сначала вычислительной, а потом и информационной техники во все сферы человеческой деятельности. Первые электронные цифровые вычислительные машины (ЭЭВМ) были разработаны и выпущены на рубеже 40 – 50-х годов прошлого века в США, Англии и чуть позднее – в СССР.

Информационные технологии развиваются, хоть и не с геометрической прогрессией, но тем не менее достаточно стремительно. Вычислительная техника становится все более и более изощренной, вместе с тем становясь совершеннее. Естественно становится возможным реализовывать наиболее сложные задачи, которые в раннем времени даже не представлялось возможным решить; что важнее, многократно повышается точность вычислений. Самые совершенные вычислительные системы устанавливаются на таких видах техники как космические зонды, спутники, научно-исследовательские модули, и, конечно широко эксплуатируются на Международной Космической Станции [5, c. 86]. Подсчитываются огромные расстояния между различными небесными телами, и прочие величины. Но, все еще впереди.

---