Файл: История развития средств вычислительной техники..pdf

3. Перспективные направления развития вычислительной техники

Компьютеры пятого поколения

Прогресс в развитии вычислительной техники с первого по четвёртое поколение связывался с эволюцией элементной базы. Переход к компьютерам пятого поколения предполагает переход к новым технологиям и архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта. Определить требования к компьютерам данного поколения очень трудно, потому что они все ещё находятся в стадии разработки [7, с. 178].

В 1982 году в Японии был создан комитет по разработке компьютеров новых поколений (ICOT), который разработал план создания компьютера пятого поколения. Комитетом были определены следующие основные требования к данным компьютерам:

1) создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание образов, речи);

2) развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта;

3) создание новых технологий в производстве сверхбольших интегральных схем;

4) создание архитектур компьютеров и вычислительных комплексов с новыми возможностями:

- возможностью взаимодействия с ЭВМ с помощью естественного языка, человеческой речи и графических изображений;

- способностью системы обучаться, производить ассоциативную обработку информации, делать логические суждения, вести «разумную» беседу с человеком в форме вопросов и ответов;

- способностью системы «понимать» содержимое базы данных, которая при этом превращается в базу знаний, и использовать эти знания при решении задач.

Эти возможности ЭВМ пятого поколения (машины баз знаний, универсальные решатели задач и т.д.) должны были быть реализованы аппаратно-программно.

Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта. С помощью языка Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки – задачи хранения и обработки знаний. Иначе говоря, для компьютеров пятого поколения не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на «почти естественном» языке, что от них требуется.

Предполагалось, что в ЭВМ пятого поколения быстродействие машин и емкость основной памяти составят: для персональных компьютеров – 2 млн операций в секунду и 0,5–5 Мбайт, а для сверхпроизводительных ЭВМ – от 1 до 100 млрд операций в секунду и до 160 Мбайт.

Однако планы создания специализированных «интеллектуальных» компьютеров, а тем более – попытки произвести с их помощью очередную компьютерную революцию пока оказались невыполнимыми. Во всяком случае «японский проект» ощутимых результатов так и не принес.

Идет дальнейшее совершенствование технологии производства микросхем и вычислительной техники, но так ожидаемый переход к принципиально новым технологиям компьютеров пятого поколения не произошел. Однако технология производства микропроцессоров уже приближается к фундаментальным ограничениям. Закон Гордона Мура гласит, что плотность транзисторов в микросхеме удваивается каждые полтора года [7, с. 179].

Продолжается дальнейшее развитие архитектур компьютеров. Интенсивные разработки ведутся по многим направлениям. Особенностью этих архитектур является то, что все они основаны не на кремниевых технологиях.

К технологиям, способным экспоненциально увеличивать производительность компьютеров, следует отнести:

- создание молекулярных компьютеров;

- создание биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

- разработку квантовых компьютеров;

- разработку оптических компьютеров.

Кратко рассмотрим основные принципы их построения.

Молекулярные компьютеры

Молекулярные компьютеры – вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно органических). В молекулярных компьютерах используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать на воздействия током, светом и т.п. Ученые фирмы Hewlett-Packard и Калифорнийского университета (UCLA) доказали принципиальную возможность создания молекулярной памяти ЭВМ на основе молекул роксана.

Продолжаются работы по созданию логических схем, узлов и блоков. По оценкам ученых, подобный компьютер будет в сотни миллиардов раз экономичнее современных микропроцессоров [7, с. 181].

ДНК-компьютер

ДНК-компьютер – вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Функционирование ДНК-компьютера сходно с функционированием теоретического устройства, известного в информатике как машина Тьюринга. Особое место принадлежит ДНК-процессорам.

ДНК-процессоры на уровне отдельных молекул работают очень медленно, но зато с их помощью можно организовывать параллельные вычисления, что дает перспективы по наращиванию производительности. Кроме того, потребляемая мощность таких процессоров очень мала, поэтому очевидны преимущества над полупроводниковыми технологиями.

Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры

Нейрокомпьютеры – это компьютеры, которые состоят 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.

Архитектура нейрокомпьютеров иная, чем у обычных вычислительных машин. Микросхемы близки по строению нейронным сетям человеческого мозга. Именно отсюда и пошло название [7, с. 183].

Идея создания подобных компьютеров базируется на основе теории перцептрона – искусственной нейронной сети, способной обучаться. Первые перцептроны были способны распознавать некоторые буквы латинского алфавита. Впоследствии модель перцептрона была значительно усовершенствована.

Автором этих идей был американский нейрофизиолог Ф. Розенблат. В 1958 г. он предложил свою модель нейронной сети. Он указал, что структуры, обладающие свойствами мозга и нервной системы, позволяют получить целый ряд преимуществ, а именно:

- более высокую надежность;

- параллельность обработки информационных потоков;

- способность к обучению и настройке;

- способность к автоматической классификации;

- ассоциативность.

Отсюда и особенности нейрокомпьютера. Он способен к обучению, а значит, ему под силу справиться с задачами, которые обычному компьютеру не под силу. Его главная особенность – способность решать задачи без четкого алгоритма или с огромными потоками информации. Поэтому уже сегодня нейрокомпьютеры применяются на финансовых биржах, где помогают предсказывать колебания курса валют и акций. Нейрокомпьютеры, распознавая образы, корректируют полет ракет по заданному маршруту.

Квантовые компьютеры

Квантовый компьютер – вычислительное устройство, которое путем выполнения квантовых алгоритмов использует при работе квантово-механические эффекты [7, с. 185].

Основоположником теории квантовых вычислений считается нобелевский лауреат, один из создателей квантовой электродинамики Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института. В 1958 г., моделируя на компьютере квантовые процессы, он понял, что для решения квантовых задач объем памяти классического компьютера совершенно недостаточен.

Р. Фейнман высказал мысль о том, что квантовые задачи должен решать квантовый компьютер: природе задачи должен соответствовать способ ее решения. И предложил один из вариантов квантового компьютера. В 1995 г. американский математик

Шор переложил для квантового компьютера алгоритм вычисления простых множителей больших чисел, используемый в популярных системах шифрования RSA. Шор показал, что если классический компьютер для нахождения множителей числа из 1000 двоичных знаков должен сделать 2¹⁰⁰⁰ операций, то квантовому компьютеру для этого понадобится всего 1000³ операций.

В основе квантовых вычислений лежит атом – мельчайшая единица вещества. Квантовые вычисления принципиально отличаются от традиционных, так как на атомном уровне в силу вступают законы квантовой физики. Один из них – закон суперпозиции: квант может находиться в двух состояниях одновременно. Обычно бит может иметь значение либо единицу, либо нуль, а квантовый бит (qubit) может быть единицей и нулем одновременно.

Оптические компьютеры

В конце XX в. начали бурно развиваться такие направления науки и техники, как волоконно-оптическая связь, полупроводниковая оптоэлектроника, лазерная техника. Поэтому XXI в. называют веком оптических технологий [7, с. 187].

Идея построения оптического компьютера давно интересует исследователей. Многие устройства ЭВМ используют оптику в своем составе: сканеры, дисплеи, лазерные принтеры, оптические диски CD-ROM и DVD-ROM.

Возможности использования света в обработке информации практически безграничны. Если использовать свет для передачи данных между чипами или логическими элементами, не будет существовать проблем со временем задержки на межсоединениях, так как передача информации будет происходить действительно со скоростью света.

Появились и успешно работают оптоволоконные линии связи. Остается создать устройство обработки информации с использованием световых потоков. Способность света параллельно распространяться в пространстве дает возможность создавать параллельные устройства обработки. Это позволило бы на много порядков ускорить быстродействие ЭВМ.

Чтобы использовать уникальные возможности оптики для обработки информации, необходимо разработать подходящие технологии создания устройств генерации, детектирования оптических сигналов, а также оптических логических элементов, управляемых светом. Элементарная оптическая ячейка должна потреблять энергии меньше, чем элемент микрочипа, быть интегрируемой в большие массивы и иметь возможность связи с большим числом подобных элементов.

Таким образом, в 1982 г. в Японии был учрежден комитет по разработке компьютеров новых поколений (ICOT), который разработал план создания компьютера пятого поколения. Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта.

Однако планы создания специализированных «интеллектуальных» компьютеров пока оказались невыполнимыми – «японский проект» ощутимых результатов так и не принес.

В настоящее время идет дальнейшее совершенствование технологии производства микросхем и вычислительной техники.

Продолжается дальнейшее развитие архитектур компьютеров.

Интенсивные разработки ведутся по многим направлениям. Особенностью этих архитектур является то, что все они основаны не на кремниевых технологиях [7, с. 189].

К технологиям, способным значительно увеличивать производительность компьютеров, следует отнести:

- создание молекулярных компьютеров;

- создание биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

- разработку квантовых компьютеров;

- разработку оптических компьютеров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассмотрены основные периоды истории вычислительной техники; более подробно представлена история электронного периода. Изложены характерные черты ЭВМ всех поколений, отмечена роль выдающихся ученых в развитии компьютерной техники.

На протяжении всего шестидесяти пяти лет компьютеры превратились из диковинных электронных монстров в мощный, гибкий, удобный и доступный инструмент. Компьютеры стали символом прогресса. По мере того как человеку понадобится обрабатывать все большее количество информации, будут совершенствоваться и средства ее обработки – компьютеры; будут появляться новые языки программирования.

К сожалению, в одной работе невозможно рассмотреть все многообразие и всю сложность мира компьютерной техники. Но краткий экскурс в историю показал развитие вычислительной техники от первых счетных приспособлений до компьютеров, в мире которых живет современное человечество.

Историю этапов развития вычислительных систем многие специалисты вычислительной техники условно делят на несколько поколений, исходя из их элементной базы. Машины для вычислений первого поколения были выполнены на электронных вакуумных радиолампах и работали как прежние арифмометры, а программы для этих машин ЭВМ писались в кодах команд, понятие «операционная система» в них пока отсутствовало.

Для второго поколения ЭВМ, появившихся в начале 1950-х гг., уже характерны новые проекты на полупроводниковых элементах.

Значительно выросли надежность и быстродействие ЭВМ, значительно уменьшились их размеры и вес. Машины уже имели трансляторы с алгоритмических языков программирования высокого уровня и автокодов. Автокоды для них были достаточно просты. Появились и первые операционные системы (ОС).