Файл: Перспективы развития технологий ПК (Перспективы развития архитектур современных ЭВМ и компьютерных систем).pdf

Возрастает спрос на планшетные компьютеры. Они меньше ноутбука, обеспечивают функции сотового телефона, Wi-Fi доступ, имеют полноцветный сенсорный экран, а также большое количество приложений смогут удовлетворить потребности даже самого привередливого пользователя. Беспроводные домашние сети оказываются в выигрышном положении: для быстрого просмотра интернет-ресурсов, а также для видеосвязи, планшетные компьютеры дома могут оказаться даже удобнее, чем телефон или персональный компьютер.

Мнение других утверждает, что будущее ПК лежит, прежде всего, в расширении его коммуникационных возможностей. А поскольку они ассоциируются с беспроводной связью и мобильностью, то конечным результатом трансформаций настольного компьютера может стать и такое устройство, как «портативный мобильный коммуникатор», которое может комбинировать в себе бытовые электронные приборы: КПК и беспроводной телефон, видео-конференц-связь и аудио MP3-плейер, терминал для Интернет-доступа и электронной почты, цифровую камеру и др. Сегодня карманные компьютеры именуется суперпортативными компьютерами или персональными электронными помощниками (Personal Digital Assistant, PDA). PDA имеют существенные положительные свойства, которые в будущем можно будет использовать.

Среди них следует выделить: наличие практически во всех современных карманных компьютерах цветного экрана; достаточно высокая для такого класса компьютеров производительность; приближение клавиатуры к оптимальному для быстрого ввода размеру, распознавание рукописного ввода, а также возможность рисовать на экране "электронными чернилами"; возможность поддержки доступа в локальную и глобальную сеть через сетевые карты Ethernet, что дает возможность использовать высокоскоростной доступ к информационной сети; поддержка некоторыми моделями карманных компьютеров универсального порта USB, что позволяет подключать к КПК многие периферийные устройства.

Прогнозируя обозримое будущее персональных компьютеров, невозможно обойти вниманием и тот многообещающий потенциал, что несут в себе биомолекулярные, квантовые и другие вычислители, построенные на новых физических принципах и явлениях. Переход на новую парадигму создания элементной базы для перспективных компьютерных систем. Одновременно с совершенствованием полупроводниковой технологии, которая все же будет занимать доминирующее положение еще несколько десятков лет, выполняется комплекс научных исследований, инженерно-технических и технологических решений в области создания элементной базы, использующей (в отличие от полупроводников) другие физические среды, процессы и явления: оптические, квантовые, биологические, химические и др. Основные свойства таких компьютеров приведены в таблице 1.

1.3. Молекулярная схемотехника и молекулярные компьютеры

Это устройство, в котором вместо кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы и молекулярные ансамбли. На основе уникальных свойств органических молекул разработано множество вариантов схем для гипотетического молекулярного компьютера. В качестве триггеров удобнее всего использовать молекулы, которые обладают одинаковой молекулярной массой и составом, но различаются строением или расположением атомов в пространстве. Некоторые из них можно переводить из одной формы в другую путем внешнего воздействия, например, с помощью ультрафиолетового излучения либо с помощью света видимого диапазона. На основе такого триггера можно строить как устройства оперативной памяти, так и элементы, выполняющие логические функции. Набор необходимых базовых элементов молекулярного компьютера можно объединить в единый вычислительный комплекс с помощью методов химического синтеза, химически соединяя “выходы” одних логических элементов с “входами” других. Теоретически можно соединить отдельные молекулярные компоненты “проводами”, например, из так называемых углеродных нанотрубок – цилиндрических структур диаметром несколько нанометров – или из токопроводящих полимеров, называемых иногда «органическими металлами».

Таблица 1.

Основные свойства нанокомпьютеров

Квантовые компьютеры работают на основе квантовой логики. Свойство квантовых частиц одновременно пребывать в разных состояниях, именуют квантовым параллелизмом, который и используется в квантовых вычислениях. Для квантовых компьютеров, как и для классических, были введены элементарные логические операции: дизъюнкция, конъюнкция и квантовое отрицание, при помощи которых организована вся логика квантового компьютера.

Квантовые компьютеры могут быть созданы путем синтеза новых идей в математике, физике, информатике и нанотехнологии.

Оптические компьютеры. Оптическая бистабильность это одно из проявлений взаимодействия света с веществом в нелинейных системах с обратной связью, при котором определенной интенсивности и поляризации падающего на вещество излучения соответствуют два (аналог 0 и 1 в полупроводниковых системах) возможных стационарных состояния световой волны, прошедшей через вещество, отличающихся амплитудой и (или) параметрами поляризации. Набор полностью оптических логических устройств для синтеза более сложных блоков оптических компьютеров реализуется на основе пассивных нелинейных резонаторов-интерферометров. В зависимости от начальных условий (начального положения пика пропускания и начальной интенсивности оптического излучения) в пассивном нелинейном резонаторе, нелинейный процесс завершается установлением одного из двух устойчивых состояний пропускания падающего излучения. А из нескольких нелинейных резонаторов можно собрать любой, более сложный логический элемент (триггер). Элементы памяти оптического компьютера представляют собой полупроводниковые нелинейные оптические интерферометры, в основном, созданными из арсенида галлия (GaAs). Минимальный размер оптического элемента памяти определяется минимально необходимым числом атомов, для которого устойчиво наблюдается оптическая бистабильность. Это число составляет ~1000 атомов, что соответствует 1-10 нанометрам.

К настоящему времени уже созданы и оптимизированы отдельные составляющие оптических компьютеров – оптические процессоры, ячейки памяти, однако до полной сборки еще далеко. На рис..2 показан пример построения оптического функционального блока для реализации матричного преобразования входного вектора-строки в выходной вектор-столбец.

Обозначения на схеме: LED линейка светоизлучающих диодов; L1-цилиндрическая линза; T оптический транспарант с записан-ной на нем матрицей пропускания T(i, j); L2 – цилиндрическая линза, образующая которой параллельна столбцам матрицы транспаранта; D -линейный фотоприемник

Рисунок 2 – Упрощенные схема оптического функционального блока для реализации матричного преобразования входного вектора - строки в выходной вектор-столбец

В нейрокомпьютерах алгоритм решения задачи представлен логической сетью элементов нейронов. На рис.3 представлен биологический нейрон, а на рис.4 – его модель. Нейроны имеют состояния 0, 1 и пороговую логику перехода из состояния в состояние. Каждый нейрон в сети определяет взвешенную сумму состояний всех других нейронов и сравнивает ее с порогом, чтобы определить свое собственное состояние.

Рисунок 3 – Биологический нейрон Рисунок 4 – Математическая модель нейрона

Как следствие этого введены специфические связи между элементами. В отличие от классических КС нейрокомпьютеры реализуют алгоритмы решения задач, представленные в виде нейронных сетей. Такие сети функционально ориентированы на конкретный алгоритм решения конкретной задачи, поэтому для решения задач разного типа требуется нейронная сеть разной топологии. Нейрокомпьютеры можно строить на базе нейрочипов. Возможна эмуляция нейрокомпьютеров (моделирование) как программно на ЭВМ, так и программно-аппаратно на цифровых супербольших интегральных схемах. Достоинства нейрокомпьютеров параллельная обработка информации и способность к обучению

Био-ДНК-компьютеры.

Ученым удалось создать логические вентили, осуществляющие различные логические функции, в частности функцию исключающего ИЛИ. Ключевыми элементами выступали комплементарные нити ДНК – то есть нити определенных последовательностей, образующие друг с другом прочное соединение. Например, биологическая информация кодируется нуклеотидами аденином, тимином, цитозином и гуанином (A, T, C, G), выстраиваемыми в строго определенной последовательности. Идея ДНК-компьютера заключается в представлении двоичного машинного кода как раз с помощью различных состояний этих нуклеотидов. Теоретически развитие этой работы может привести к созданию компьютера из ДНК, способного выполнять элементарные арифметические операции — сложение и вычитание. Исключительное свойство ДНК — способность одиночных цепей к «взаимоузнаванию». Привлекательное для компьютерной области свойство ДНК – высокая плотность хранимой информации и низкое энергопотребление, значит перегрев биокомпьютерам не грозит. Некоторые из особенностей такой вычислительной схемы являются масштабируемость и автономность самостоятельной сборки процессов, связанных с нано-масштабом молекул ДНК. Метод ДНК позволяет сразу сгенерировать все возможные варианты решений с помощью известных биохимических реакций. Затем возможно отфильтровать именно ту молекулу-нить, в которой закодирован нужный ответ.

Химические компьютеры. Для создания химического компьютера потребуются 2 платформы. Первая – «индивидуальные клетки» – органические вычислительные системы, состоящие из липидов, способных переносить сигналы внутри молекул. Вторая платформа – внутриклеточный состав, который проводит химические реакции, протекающие в колебательном режиме. В результате этих реакций динамически меняются параметры – концентрации, температуры, цвета и других, это позволяет клеткам взаимодействовать между собой и передавать определенную информацию. Работать «химический компьютер» будет от электричества, но все изменения будут происходить вследствие химических процессов.

2. Взаимосвязь между процессами поиска новых парадигм создания перспективной элементной базы и организации перспективных архитектур ЭВМ и систем

2.1. Схемотехника и архитектура нанокомпьютеров

Примеры первых наиболее успешных экспериментов показали, что основу вычислительной среды будущего нанокомпьютера будет составлять регулярная, для начала – двухмерная, матрица, образованная нанотранзисторами размером 2 – 10 нм. При этом молекулярно-кластерными методами можно будет создавать наиболее мелкие элементы схем, требующие высокого пространственного разрешения порядка 0,5 – 1 нм, недоступного для литографии.

Несмотря на то, что основные рабочие элементы разрабатываемых нанотранзисторов имеют не кремниевую основу, уже имеется проработка технологии их изготовления с системной интеграцией на кремниевой подложке. В частности, базовый кремниевый кристалл может быть использован для создания интерфейсного обрамления наночипа в стандарте TTL. К тому времени, когда рынок электроники будет наполнен устройствами мезоэлектроники с разрешением 20–30 нм (примерно через десять лет), должны появиться первые экспериментальные образцы универсальных программируемых молекулярнокластерных и спинтронных чипов с кремниевым интерфейсным TTL обрамлением. Все это выглядит вполне реальным, так как базисные логические функции типа ИЛИ-НЕ на основе углеродных нанотрубок уже изготовлены и испытаны.