Реферат: Перспективы развития компьютерной техники (новейшие разработки 2005г.)
Здесьдолжен быть титульный лист…
Оглавление
Введение с.3
Глава I. Оптическийкомпьютер с. 4
Глава II. Квантовыйкомпьютер
Глава III. Нейрокомпьютер
Глава IV. Новейшиедостижения
Заключение
Список использованной литературы
Вступление
В последнее времякомпьютеры стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Ещё пятнадцатьлет назад было редкостью увидеть какой-нибудь персональный компьютер — они былиочень дорогими, и редкими. Отнюдь не каждая фирма могла позволить себе иметь усебя в офисе ЭВМ. А теперь? Теперь почти в каждом доме есть компьютер, безкоторого мы уже не мыслим нашего существования.
Современныевычислительные машины представляют одно из самых значительных достиженийчеловеческой мысли, влияние, которого на развитие научно-технического прогрессатрудно переоценить. Области применения ЭВМ непрерывно расширяются, чему взначительной степени способствует распространение персональных компьютеров, иособенно микроПК. Поэтому мы считаем весьма актуальным исследование перспективразвития компьютерной техники и ставим это целью настоящей работы.
В процессе исследованияпредполагается решение следующих задач:
1. Определение перспективразвития ЭВМ и объяснение таких понятий, как оптический компьютер, квантовыйкомпьютер, нейрокомпьютер.
2. Анализ новейшихдостижений к компьютерной технике.
ГлаваI. Оптический компьютер
Развитиевычислительной техники представляет собой постоянно сменяющие друг другафизические способы реализации логических алгоритмов — от механических устройств(вычислительная машина Бэббиджа) к ламповым (компьютеры 40-50-х годов Марк I иМарк II), затем к транзисторным и, наконец, к интегральным схемам. И уже нарубеже XXI века шли разговоры о скором достижении пределов примененияполупроводниковых технологий и появлении вычислительных устройств, работающихна совершенно ином принципе. Все это свидетельствует о том, что/> прогресс не стоит на месте, и с />течениемвремени ученые открывают новые возможности создания вычислительных систем,принципиально отличающихся от широко применяемых компьютеров. Существуетнесколько возможных альтернатив замены современных компьютеров, одна из которых- создание так называемых оптических компьютеров, носителем информации вкоторых будет световой поток.
Проникновениеоптических методов в вычислительную технику ведется по трем основнымнаправлениям. Первое основано на использовании аналоговых интерференционныхоптических вычислений для решения отдельных специальных задач, связанных снеобходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований. Второенаправление связано с /> использованием оптическихсоединений для передачи сигналов на различных ступенях /> иерархии элементов вычислительной техники, т.е. создание чисто оптических или гибридных(оптоэлектронных) соединений вместо обычных, менее надежных, электрическихсоединений. При этом в конструкции компьютера /> появляются новые элементы — оптоэлектронные преобразователи /> электрических сигналов в оптические /> и обратно. Но самымперспективным направлением развития оптических вычислительных устройствявляется создание компьютера, полностью состоящего из оптических устройствобработки информации. Это направление интенсивно развивают с />начала80-х годов ведущие научные центры (MTI, Sandia Laboratories и др.) /> и основные компании-производители компьютерногооборудования (Intel, IBM, AMD).
В основеработы различных компонентов оптического компьютера (трансфазаторы-оптическиетранзисторы, триггеры, ячейки памяти, носители информации) лежит явление оптическойбистабильности. Оптическая бистабильность — это одно из проявленийвзаимодействия света с веществом в нелинейных системах с обратной связью, прикотором определенной интенсивности и поляризации падающего на веществоизлучения соответствуют два (аналог 0 и 1 в полупроводниковых системах)возможных стационарных состояния световой волны, прошедшей через вещество,отличающихся амплитудой и (или) параметрами поляризации. Причем предыдущеесостояние вещества однозначно определяет, какое из двух состояний световойволны реализуется на выходе. Для большего понимания явление оптическойбистабильности можно сравнить с обычной петлей магнитного гистерезиса (эффект,используемый в магнитных носителях информации). Увеличение интенсивностипадающего на вещество светового луча до некоторого значения I1приводит к резкому возрастанию интенсивности прошедшего луча; на обратном жеходе при уменьшении интенсивности падающего луча до некоторого значения I2<I1интенсивность прошедшего луча остается постоянной, а затем резко падает. Такимобразом, интенсивности /> падающего пучка I,значение которой находится в пределах /> петлигистерезиса, соответствуют два значения интенсивности прошедшего пучка,зависящих от предыдущего оптического состояния поглощающего вещества.
Весь наборполностью оптических логических устройств для синтеза более сложных блоковоптических компьютеров реализуется на основе пассивных нелинейныхрезонаторов-интерферометров. В зависимости от начальных условий (начальногоположения пика пропускания и начальной интенсивности оптического излучения) впассивном нелинейном резонаторе, нелинейный процесс завершается установлениемодного из двух устойчивых состояний пропускания падающего излучения. А изнескольких нелинейных резонаторов можно собрать любой, более сложный логическийэлемент (триггер).
Элементыпамяти оптического компьютера представляют собой полупроводниковые нелинейныеоптические интерферометры, в основном, созданными из арсенида галлия (GaAs).Минимальный размер оптического элемента памяти определяется минимальнонеобходимым числом атомов, для которого устойчиво наблюдается оптическаябистабильность. Это число составляет ~1000 атомов, что соответствует 1-10нанометрам.
К настоящемувремени уже созданы и оптимизированы отдельные составляющие оптических /> компьютеров – оптические процессоры, ячейки памяти),однако до полной сборки еще далеко. Основной проблемой, стоящей /> перед учеными, является синхронизация работыотдельных элементов оптического компьютера в единой системе, поскольку ужесуществующие элементы характеризуются различными параметрами рабочей волнысветового излучения (интенсивность, длина волны), и уменьшение его размера.Если для конструирования оптического компьютера использовать уже разработанныекомпоненты, то обычный PC имел бы размеры легкового автомобиля. Однакоприменение оптического излучения в качестве носителя информации имеет рядпотенциальных преимуществ по сравнению с электрическими сигналами, а именно:
1. световыепотоки, в отличие от электрических, могут пересекаться друг с другом;
2. световыепотоки могут быть локализованы в поперечном направлении до нанометровыхразмеров и передаваться по свободному пространству;
3. скоростьраспространения светового сигнала выше скорости электрического;
4. взаимодействиесветовых потоков с нелинейными средами распределено по всей среде, /> что дает новые степени />свободы (/>по сравнению с электронными системами) в организациисвязи и создании параллельных архитектур.
Вообще,создание большего количества параллельных архитектур, по сравнению сполупроводниковыми компьютерами, является основным достоинством оптическихкомпьютеров, оно позволяет преодолеть ограничения по быстродействию ипараллельной обработке информации, свойственные современным ЭВМ. Развитиеоптических технологий все равно будет продолжаться, поскольку полученные результатыважны не только для создания оптических компьютеров, но также и для оптическихкоммуникаций и сети Internet.
ГлаваII. Квантовый компьютер
Созданиекачественно новых вычислительных систем с более высокой производительностью инекоторыми характеристиками искусственного интеллекта, например с возможностьюсамообучения,- очень актуальная тема. Последние десять лет такие разработкиведутся во многих направлениях — наиболее успешными и быстро развивающимися изних являются квантовые компьютеры, нейрокомпьютеры и оптические компьютеры,поскольку современная элементная и технологическая база имеет все необходимоедля их создания.
Итак,что же такое квантовый компьютер? Основной его строительной единицей являетсякубит (qubit, Quantum Bit). Классический бит имеет лишь два состояния — 0 и 1,тогда как состояний кубита значительно больше. Для описания состояния квантовойсистемы было введено понятие волновой функции, ее значениепредставляется в виде вектора с большим числом значений. Существуют волновые функции,которые называются собственными для какой-либо определенной величины. Квантоваясистема может находиться в состоянии с волновой функцией, равной линейнойкомбинации собственных функций, соответствующих каждому из возможных значений(такое состояние называется сложным), т. е. физически — ни в возбужденном, ни восновном состоянии. Это означает, что кубит в одну единицу времени равен и 0, и1, тогда как классический бит в ту же единицу времени равен либо 0, либо 1. Какдля классических, так и для квантовых компьютеров были введены элементарныелогические операции: дизъюнкция, конъюнкция и квантовое отрицание, при помощикоторых будет организована вся логика квантового компьютера.
Какработает квантовый компьютер? Согласно законам квантовой механики, энергияэлектрона, связанного в атоме, не произвольна. Она может иметь лишьопределенный прерывный (дискретный) ряд значений Е0, Е1,…Еn называемых уровнями энергии. Этот набор называют энергетическимспектром атома. Самый нижний уровень энергии Е0, при котором энергия атоманаименьшая, называется основным. Остальные уровни (Е1, Е2,…Еn) соответствуют более высокой энергии атома и называютсявозбужденными. Излучение и поглощение атомом электромагнитной энергиипроисходит отдельными порциями — квантами, или фотонами. При поглощении фотонаэнергия увеличивается — он переходит «вверх» — с нижнего на верхнийуровень, при излучении фотона атом совершает обратный переход вниз.
Еслиатом в данный момент времени находится в одном из возбужденных состояний Е2,то такое состояние атома неустойчиво, даже если на него не влияют другиечастицы. Через очень короткое время атом перейдет в одно из состояний с меньшейэнергией, например Е1. Такой самопроизвольный (спонтанный) переход содного уровня на другой и сопровождающее его спонтанное излучение столь жеслучайны во времени, как радиоактивный распад ядра атома. Предсказать точномомент перехода принципиально невозможно — можно лишь говорить о вероятноститого, что переход произойдет через такое-то время. Но атом может перейти суровня Е2 на Е1 не спонтанно, а под действиемэлектромагнитной волны, если только частота этой волны достаточно близка кчастоте перехода атома. Такая резонансная волна как бы «расшатывает»электрон и ускоряет его «падение» на уровень с меньшей энергией.Переходы, происходящие под действием внешнего электромагнитного поля,называются вынужденными (или стимулированными). При создании квантовогокомпьютера основное внимание уделяется вопросам управления кубитами при помощивынужденного излучения и недопущении спонтанного излучения, которое нарушитработу всей квантовой системы. От рассказа о физике происходящих в квантовомкомпьютере процессов перейдем к тому, как эти свойства реализуются вэкспериментальном образце квантового компьютера.
Длятого чтобы практически реализовать квантовый компьютер, существуют нескольковажных правил, которые в 1996 г. привел Дивиченцо (D.P. Divincenzo). Без ихвыполнения не может быть построена ни одна квантовая система.
1. Точно известное число частиц системы.
2. Возможность приведения системы вточно известное начальное состояние.
3. Высокая степень изоляции от внешнейсреды.
4. Умение менять состояние системысогласно заданной последовательности элементарных преобразований.
Выполнение этихтребований вполне реально с помощью существующих квантовых технологий, однакодля того, чтобы воплотить теорию в реальность, нужны гигантские суммы денежныхсредств, которые пока не могут быть выделены на финансирование исследований.
ГлаваIII. Нейрокомпьютер
Длярешения некоторых задач требуется создание эффективной системы искусственногоинтеллекта, которая могла бы обрабатывать информацию, не затрачивая многовычислительных ресурсов. И разработчиков «осенило»: мозг и нервнаясистема живых организмов позволяют решать задачи управления и эффективнообрабатывать сенсорную информацию, а это огромный плюс для создаваемыхвычислительных систем. Именно это послужило предпосылкой создания искусственныхвычислительных систем на базе нейронных систем живого мира. Специалисты,добившись нужных результатов в этой области, создадут компьютер с большимивозможностями.
Создание компьютера наоснове нейронных систем живого мира базируется на теории перцептронов,разработчиком которой был Розенблатт. Он предложил понятие перцептрона — искусственной нейронной сети, которая может обучаться распознаванию образов.Предположим, что есть некоторая зенитно-ракетная установка, задача которой — распознать цель и определить наиболее опасную из них. Также есть два самолетавероятного противника: штурмовик и бомбардировщик. Зенитно-ракетная установка,используя оптические средства, фотографирует самолеты и отправляет полученныеснимки на вход нейронной сети (при полностью сфотографированном самолете нейроннаясеть быстро распознает его). Но если снимок получился плохо, то именно здесьиспользуются основные свойства нейронной сети, одно из которых — возможность ксамообучению. Например, на снимке отсутствует одно крыло и хвостовая частьсамолета. Через некоторое (приемлемое) время нейронная сеть сама дорисовываетотсутствующие части и определяет тип этого самолета и дальнейшие действия поотношению к нему. Из распознанных штурмовика и бомбардировщика оператор даннойзенитно-ракетной установки выберет для уничтожения более опасный самолет.
Перспективность созданиякомпьютеров по теории Розенблатта состоит в том, что структуры, имеющиесвойства мозга и нервной системы, имеют ряд особенностей, которые сильнопомогают при решении сложных задач:
1. Параллельность обработкиинформации.
2. Способность кобучению.
3. Способность кавтоматической классификации.
4. Высокаянадежность.
5. Ассоциативность.
Нейрокомпьютеры — это совершенно новый типвычислительной техники, иногда их называют биокомпьютерами.Нейрокомпьютеры можно строить на базе нейрочипов, которые функциональноориентированы на конкретный алгоритм, на решение конкретной задачи. Для решениязадач разного типа требуется нейронная сеть разной топологии (топология — специальное расположение вершин, в данном случае нейрочипов, и пути ихсоединения). Возможна эмуляция нейрокомпьютеров (моделирование) — какпрограммно на ПЭВМ и суперЭВМ, так и программно-аппаратно на цифровыхсупербольших интегральных схемах.
Искусственная нейроннаясеть построена на нейроноподобных элементах — искусственных нейронах инейроноподобных связях. Здесь важно заметить, что один искусственный нейронможет использоваться в работе нескольких (приблизительно похожих) алгоритмовобработки информации в сети, и каждый алгоритм осуществляется при помощинекоторого количества искусственных нейронов.
ГлаваIV. Новейшие достижения
Суперпамять
Недавно американскаяфирма Nantero из Бостона, разработала технологию, позволяющую серийнопроизводить чипы памяти на нанотрубках до 10Гб данных. Память нового поколения,использующая массив фуллереновых трубок на поверхности чипа кремния (NRAM,Nanoscale Random Access Memory) будет хранить данные даже после отключенияпитания устройства. Это наводит на мысли, как резко может измениться структуракомпьютера. Ведь по сути, это качественный скачок в производстве компьютеров.Загрузка компьютеров, оснащенных такой памятью, при включении будет происходитьмгновенно. Да и быстродействие компьютеров значительно возрастет, так как небудет обращения к винчестеру. Винчестеры как таковые будут не нужны! Можнобудет отказаться от системного блока!
Компьютер недалекогобудущего состоит из следующих частей. Жидкокристаллический дисплей 19 дюймов на котором сзади располагается системная плата с процессором и памятью. Сейчас Intel выпустиланаборы системной логики 865 и 875, с двухканальным контроллером памяти.Наверное, будет 4-х и 8-ми канальная организация памяти. Емкость памятикомпьютера 100-200 Гб. От южного моста можно оставить 6 канальный звук. От CD иDVD приводов можно будет отказаться так, как данные удобней будет переносить накомпактной флэш-памяти.
Робот-натуралист
Американский дизайнер Сабрина Рааф представиларобота, озабоченного проблемами экологии. Translator II: Grower представляет собойстальную платформу, которая держится стены и перемещается по периметру комнаты.Робот использует самый тривиальный сенсор углекислого газа для анализасостояния окружающей среды. Каждые несколько секунд машина делает замеры, послечего наносит на стену риску. Через полсантиметра — />другую. Чем выше концентрацияуглекислого газа, тем длиннее полоска. Такая своеобразная диаграмма информируето состоянии окружающей среды. Особенно интересно наблюдать за поведением роботапри большом скоплении людей в />помещении.
Наш новый суперкомпьютер
Не так давнов Москве Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наукБеларуси, Институт программных систем Российской Академии Наук, компания«Т-Платформы» и корпорация AMD презентовали суперкомпьютер «СКИФ К-1000». Онпредназначен для решения широкого спектра задач в различных областях науки.Этого монстра собрали наши соотечественники совместно с белорусскими коллегамииз 576 процессоров AMD Opteron. Компьютер получился самым мощным на всейтерритории СНГ и Восточной Европы и занимает почетное 98 место в рейтингесамых скоростных машин ТОР500. Главное, что разработчики не остановились надостигнутом, и продолжают разработки. Возможно, скоро именно в России будуттрудиться самые быстрые компьютеры.
Протез мозга
Ученые из Южнокалифорнийскогоуниверситета в Америке разработали микрочип, имитирующий работу участкаголовного мозга, отвечающего за запоминание информации. Тестированиепроводилось на мозговых тканях обычной крысы. Оно прошло успешно — проанализировавимпульсы, полученные с чипа, ученые пришли к выводу, что они абсолютноидентичны тем, которые дает срез ткани головного мозга. В ближайшее времякоманда ученых планирует провести опыты уже не на кусках ткани, а на живыхживотных. Если опыты пройдут удачно и не будет замечено никаких аномалий, то,разумеется, разработки будут продолжаться дальше. Хотя, как заявляет ТеодорБергер, до создания полноценного протеза еще далеко. Например, пока не ясно,каким образом микрочип будет взаимодействовать с теми участками мозга, скоторыми его не получится соединить напрямую.
Робот-носильщик
/>/>Компания Fujitsu представила универсальногоробота-носильщика. Еще в фойе робот приветствует гостей отеля хриплымбаритоном. Уточнив номер комнаты, Service Robot берет тяжелые чемоданыв обе «руки» и начинает движение в сторону лифта. А если вещей много, выкатываетспециальную тележку. Электронная карта отеля, восемь камер и ультразвуковыесенсоры позволяют роботу преодолевать любые препятствия. Правое и левое колесавращаются независимо, поэтому движение по наклонным и неровным поверхностямдается легко. Используя систему обработки трехмерных изображений, робот можетхватать предметы и протягивать их гостям. За реалистичное движение «рук»отвечает модель нервной системы позвоночных. В продолжение своей миссии Service Robot нажимает кнопку вызовалифта, поднимается на этаж и провожает гостей в номер. Робот чутковоспринимает голосовые инструкции. Три микрофона позволяют ему определитьисточник команд, чтобы обернуться на голос. Справки об отеле можно получитьна цветном сенсорном экране. Робот подключен к интернету по интерфейсу Wi-Fi 802.11b. Дроид самостоятельноконтролирует заряд батареи и время от времени отправляется на базу дляиндукционной подзарядки без прямого контакта с зарядным устройством. Ночьюробот патрулирует коридоры отеля. Размеры Service Robot -65x57x130 см. Весробота — 63 кг. Скорость движения — до 3 км/ч. Service Robot поступит в продажу виюне 2005 года по цене 18 тысяч долларов.
Заключение
В данной работерассматривались три вида компьютеров: квантовые компьютеры, которые построенына основе явлений, возникающих в квантовой физике и дающих мощныйвычислительный агрегат при решении задач сложных вычислений; нейрокомпьютеры иоптические компьютеры, которые построены на различной теоретической базе, носхожи в том, что и те и другие занимаются обработкой информации. Сдостоверностью известно, что уже сейчас существуют системы обработкиинформации, построенные на объединении оптических и нейронных компьютеров, — это так называемые нейроно-оптические компьютеры. Для того чтобы создатьмощную систему обработки информации, пришлось разработать гибридную систему, т.е. имеющую свойства как оптических, так и нейронных компьютеров. И с цельюпроиллюстрировать практическое воплощение компьютерного прогресса, в даннойработе были приведены примеры новейших изобретений в сфере высоких технологий.
Списокиспользованной литературы
1. Глазер В. “Световодная техника” М. Энегроатомиздат 1995г.
2. Оокоси Е. Оптоэлектроника и оптическая связь. М.: Мир,1998г.
3. Журнал PC Magazine ( Russian Edition ) N2 1991г.
4. М. ГУК “Аппаратные средства IBM PC” Питер Санкт-Петербург 1997г.
5. Журнал «Хакер» октябрь 2004 г. – январь 2005 г.