Новости

30 мая 2002 г

Компьютеры будущего

Ученые ищут замену кремниевым микросхемам, и работают над созданием био- и квантовых компьютеров, имеющих громадный вычислительный потенциал.

Профессор Айзек Чуанг держит в руках пробирку толщиной с карандаш, полную ярко-оранжевого раствора. Внутри пробирки - миллиард миллиардов молекул, каждая из которых состоит из пяти атомов фтора и двух атомов углерода. Чуанг помещает пробирку в камеру аппарата ядерного магнетического резонанса, похожего на огромную блинницу. Внутри этой машины пробирку окружают высокочастотные катушки, подсоединенные к усилителю и генератору сигналов, похожих на те, что в сотовых телефонах, только гораздо больше.

Чуанг набирает на клавиатуре буквы GA v LGo ahead¦ (вперед!). Со звуком, похожим на звон, на раствор в пробирке воздействуют радиочастотные импульсы, и ядра атомов углерода и фтора начинают принимать состояние спинов. Во время того, как ядра прецессируют вокруг своей оси, они выполняют вычисления. Разложение числа L15¦ на множители длится менее секунды, и Чуанг повторяет опыт 35 раз, чтобы определить количество ошибок.

Разложить число L15¦ на множители под силу любому школьнику и обычному калькулятору, но в данном случае главное не скорость или объем вычислений, а сам их факт. Семи-Lкьюбитный¦ квантовый компьютер Чуанга v самый мощный в настоящее время v подтверждает гипотезу, которая еще несколько лет назад считалась учеными нереальной, а именно: свойства атомов на квантовом уровне можно применять для вычислительных операций в компьютерах. Работа Чуанга и других ученых позволяет предположить, что придет время, когда квантовые машины будут способны производить параллельные вычисления с огромными массивами данных, при которых одновременно будут производиться миллиарды вычислительных операций v то есть делать то, на что никогда не будут способны кремниевые микропроцессоры.

По словам Чуанга, профессора Центра изучения элементарных частиц и атомов Массачусетского технологического института (хотя эксперименты с квантовым компьютером он проводил в исследовательском центре Алмейден компании IBM), цель разработчиков квантового компьютера - выйти за границы обычного. Ученые надеются расширить возможности компьютеров до такого масштаба, который никто и представить себе не может.

Чуанг работает над этой проблемой не один. Десятки исследовательских групп по всему миру тратят сотни миллионов долларов на попытки доказать, что вычисления на квантовом уровне обладают огромным потенциалом. Ученые экспериментируют с углеродными нанотрубками, цепочками ДНК и с такими свойствами ядер атомов, как спин.

Цель этих экспериментов v создать вычислительное устройство, которое бы решило проблему, присущую Lклассическим¦ компьютерам на базе микропроцессоров. Эта проблема касается не размеров микропроцессора, а последовательного характера его работы: операции в процессорах выполняются по очереди одна за другой. Неважно, как быстро микрочип производит вычисления v последовательный характер его работы накладывает ограничения на его производительность.

Где же можно использовать нанокомпьютеры? Навряд ли в обозримом будущем появится потребность производить параллельные вычисления с огромными массивами данных на карманных ПК или сотовых телефонах, но ограничения классической компьютерной техники уже чувствуются. Например, в области криптографии. Шифрование данных v это не только необходимое условие работы государственных служб безопасности, но и основа электронной коммерции и обмена данными. Способность компьютеров будущего выполнять одновременные вычисления в гигантских масштабах позволит взламывать, или защищать кажущиеся абсолютно неприступными шифры.

В области биохимии, квантовые компьютеры, возможно, могли бы вычислять генетические коды, что позволило бы разрабатывать новые медикаменты. Кроме того, нанокомпьютеры могли бы управлять обширными базами данных, решать сверхсложные задачи (например, долговременное прогнозирование погоды), и, будучи встроенными в наномеханизмы, проводить мониторинг или даже восстановление человеческого организма на клеточном уровне. Но все это одни лишь предположения, так как исследования в области квантовых вычислений находятся пока на уровне блинницы.

Предел совершенствования

Компьютеры до такой степени уменьшились в размерах и работают с такой скоростью, что можно подумать, почему бы им не продолжать уменьшаться? Одна из первых ЭВМ v ENIAC (Электронно-цифровой интегратор и вычислитель) v занимала целую комнату в Пенсильванском университете. Она весил 30 тонн и работал на более чем 17 тысячах электронных ламп. Когда ученые включали ее, обесточивались целые районы Филадельфии. Но производительность ЭНИАКа была не больше, чем у музыкальной открытки, которая проигрывает простенькие мелодии, когда ее открывают.

В принципе, ЭНИАК и его наследники v это просто набор бинарных переключателей. Бит, основная единица информации, выражается через напряжение в электрической цепи: высокое напряжение означает единицу, низкое напряжение v ноль. Поток битов проходит по электрическим цепям с переключателями, которые и выполняют вычислительные операции. В 1947 году на смену электронным лампам пришли транзисторы, которые до сих пор являются основным компонентом интегрированных микросхем и процессоров. С каждым новым поколением компьютеров транзисторы становились все меньше, и микросхемы содержали их во все возрастающем количестве, но принцип работы остался тем же.

Процессор Pentium IV имеет размеры десятицентовой монеты и состоит из 55 миллионов транзисторов, по которым проходят электроны с частотой 2 ГГц (2 млрд циклов в секунду). Ожидается, что через десять лет микрочипы будут состоять из миллиарда или даже больше транзисторов и иметь рабочую частоту более 25 ГГц. Уже сейчас разработаны высокопроизводительные процессоры (например, кремниево-германиевый чип, представленный IBM), которые могут работать с частотой 100 ГГц.

Но есть минимальный предел размера, который кремниевые чипы перейти не могут. Чипы изготавливаются путем вытравления электрических цепей с помощью ультрафиолетовых лучей на фоторезистивной поверхности. Используя световые лучи со все меньшей длиной волн, инженерам удавалось уменьшать размеры микросхем. Но если уменьшить длину волн до критического предела, то ультрафиолетовые лучи будут поглощаться линзами и молекулами воздуха, и не дойдут до кремниевого кристалла. Произойдет это предположительно через 10-15 лет. Кроме того, перевод процесса производства чипов на лучи с меньшими длинами волн обходится очень дорого. В конце концов, ученым придется искать новые концепции производства компьютерных систем. И они уже ищут альтернативу кремниевым чипам.

Заменители кремния

Одна из возможных альтернатив v молекулярная электроника (moletronics). С ее помощью можно делать процессоры из углерода и других элементов, и производительность их потенциально намного выше, чем у кремниевых. Теоретически, в ближайшее десятилетие возможна разработка машин, работающих как на кремниевых, так и молекулярных микросхемах.

В августе прошлого (?) года исследователи компании IBM представили первый рабочий логический вентиль (logic gate), состоящий из одной молекулы. Используя углеродные нанотрубки, ученые создали микросхемы шириной в десять атомов, что соствляет1/500 размера кремниевой микросхемы. Далее, в октябре того же года группа ученых из Bell Labs разработала молекулярный транзистор, имеющий еще меньшие размеры, чем нанотрубка v приблизительно в миллион раз меньше песчинки. Ученые поместили молекулу тиола (смесь углнерода, водорода и серы) между двумя золотыми электродами, и с помощью тиола управляли течением тока внутри транзистора. Но самое поразительное в этом изобретении, даже для его создателей, это не размер, а то, что молекула тиола может работать как мощный усилитель сигнала.

Если молекулы могут выполнять функции транзисторов и усилителей, а также логических переключателей, то, теоретически, они могут использоваться и в качестве процессоров. Специалисты компании Hewlett-Packard стоят на пороге совмещения молекулярной электроники и кремниевой технологии. Они уже запатентовали метод взаимодействия молекулярных цепей с традиционными полупроводниками, а к 2005 году надеются создать 16-килобитную запоминающую микросхему. Специалисты компании считают, что через 10-15 лет Lмолектронные¦ микросхемы начнут вытеснять полупроводниковые в портативных устройствах. А наибольшие изменения грядут в области медицинских имплантантов v в человеческое тело можно будет вживлять микроскопические компьютеры, которые, например, будут следить за уровнем инсулина в организме. Широкомасштабные исследования проводятся в области клеточной механики и обмена информацией на уровне ДНК. Чем это все закончится, можно только гадать.

Биокомпьютер

Существуют и другие концепции вычислительной техники, еще более необычные. Одна из них состоит в использовании ДНК. Ведь ДНК v это природный высокоэффективный носитель информации о жизненных процессах, имеющий структуру двойной спирали, на которой хранятся огромные объемы информации, закодированной на молекулярном уровне. Десять триллионов цепочек ДНК могут уместиться в чайной ложке. Если сделать из такой цепочки что-то вроде Lпроцессора¦, то на его базе можно будет создать нанокомпьютер, который бы выполнял триллионы вычислений одновременно.

ДНК-вычисления впервые были с успехом применены в 1994 году Леонардом Эдлменом, профессором Университета Южной Калифорнии, для решения так называемой задачи коммивояжера. Эта задача заключается в нахождении кратчайшего маршрута между семью городами, соединенными 14 однонаправленными путями.

Сообразительный старшеклассник с помощью ручки и листа бумаги может решить задачу для семи узлов намного быстрее, чем предложенный Эдлменом ДНК-компьютер, который потратил на это около недели. Но представьте себе задачу коммивояжера для 200 узлов. Сложность подобных задач растет экспоненциально, и когда число узлов становится достаточно большим, обычные электронные компьютеры решить ее уже не в состоянии.

При решении задачи для семи узлов все возможные варианты были сформированы в пробирке в виде цепочек ДНК, а единственный правильный - отфильтрован при помощи биохимической реакции. Проблема состоит в том, что чем больше задача, тем больше необходимо ДНК. По некоторым оценкам, при использовании метода ДНК-вычислений Эдлмена для решения задачи с 200 узлами может потребоваться ДНК-цепочка, вес которой превышает вес Земли.

Компьютер на основе ДНК v звучит странно, но это естественное следствие биохимических исследований, благодаря которым ученые получили возможность декодировать, управлять и синтезировать генетический материал растений и животных. Но нужно достичь еще очень многого, чтобы стала возможноым создание рабочего биокомпьютера на основе ДНК. Ведь чем сложнее структура ДНК, тем более вероятны ошибки в вычислениях (в природе результатом таких ошибок являются мутации). Кроме того, ДНК с Lправильными ответами¦ еще нужно извлечь и проанализировать. Следовательно, исследователям еще предстоит разработать эффективный способ Lчтения¦ результатов биовычислений. А иначе высокая скорость работы биокомпьютера будет нивелироваться потраченным времени на обработку результатов вычисления.

Среди возможных сфер применения ДНК-компьютеров называют создание биосенсоров, которые могли бы следить за биохимическими реакциями в теле человека, или же использование биокомпьютеров для поиска обширных массивов данных в области генетических исследований.

Квантовые вычислители

Квантовые компьютеры сочетают в себе нано-масштабы молекулярных микросхем со скоростью параллельных вычислений ДНК.

Работа квантового компьютера основывается на такой характеристике атомного ядра, как спин. Состояние атома со спином Ївверх¦ можно интерпретировать как логическую единицу, а со спином вниз v как логический ноль. Однако квантовая природа атома позволяет ему одновременно иметь спины Ївверх¦ и Ївниз¦. Это явление называется суперпозицией, и позволяет одному квантовому биту, или кьюбиту, выполнять работу двух битов, двум кьюбитам v четырех битов, четырем кьюбитам v шестнадцати битов и т.д. Таким образом, небольшой квантовый компьютер (скажем, из сорока кьюбитов) обладал бы возможностями современного суперкомпьютера. Несколько сотен атомов, работающих в связке, могли бы за один такт выполнять миллиарды операций.

Но тут также есть свои трудности. Ядра атомов стремятся выйти из состояния суперпозиции и стать только Їнолем¦ или Їединицей¦. Машина Чуанга предназначена для удержания атомов в состоянии суперпозиции достаточное для проведения вычислений время. В данном случае v на полторы секунды. По словам Чуанга, для квантов это v целая вечность.

Чуанг впервые использовал семи-кьюбитный квантовый компьютер для разложения числа на множители. А это говорит о мощном потенциале таких компьютеров для решения криптографических задач. У самого быстрого на сегодняшний день компьютера взлом 300-разрядного криптографического шифра занял бы миллиарды лет, а квантовый компьютер сделал бы это примерно за 30 часов. Но для решения таких задач нужны компьютеры из сотен тысяч кьюбитов, и даже самые оптимистичные прогнозы не предвещают появление таких машин как минимум в ближайшие 15 лет. Используя метод Чуанга, можно получить максимум 20-кьюбитный компьютер. Поэтому ученые ищут новые решения, например, помещая кьюбиты в жесткие структуры или используя лазеры для контроля за кьюбитами. Как шутит Чуанг, никто из ученых, работающих в этом направлении, не понимает, что происходит. В квантовой физике интуиция не помогает.

Многие специалисты считают, что нанокомпьютеры смогут применяться только для решения специфических задач, таких как криптография или поиск по базе данных. Но в истории уже был пример подобного консерватизма мнений: громадный ЭНИАК был первоначально разработан для вычисления траектории полета артиллерийских снарядов, и примерно в это же время глава IBM Томас Уотсон сказал свою известную фразу о том, что на мировом рынке существует спрос всего на пять ЭВМ. Но с тех пор IBM и ее последователи несколько расширили область применения компьютеров. Возможно, нанокомпьютеры ожидает та же судьба.

Взгляд в прошлое

В 1946 году журнал ЇPopular Science¦ писал о 100-тонном Lэлектро-механическом дифференциальном анализаторе¦, разработанном учеными MIT: LЗа несколько минут, или максимум за несколько часов, эта гигантская вычислительная машина решает задачи, на решение которых у специалистов-людей ушли бы недели. Машина, способная решать три задачи одновременно, содержит 200 миль проводов, 2000 электронных ламп, несколько тысяч реле и около 150 моторов. Но, несмотря на всю сложность ее устройства, машиной может управлять один человек¦.

**Подпись к рисунку 2

Толщиной всего в одну молекулу

Транзистор v основной компонент, определяющий производительность машины. Чем он меньше, тем быстрее и эффективнее работает компьютер. Используя в качестве материала органическую молекулу вместо кремния, ученые создали транзистор, в миллион раз меньший песчинки, и работающий в десять раз быстрее самых современных транзисторов.

Основа каждого транзистора v это канал, пространство между двумя электродами, с помощью которого контролируется прохождение тока.

Место канала в новом транзисторе заняла молекула тиола, которая может выполнять функции как проводника, так и изолятора.

***Подпись к рисунку 3

LЗапутанный лабиринт из проводов¦ ЭВМ Maрк II, разработанной в лаборатории вычислительной техники Гарвардского университета.

версия для печати

SMS

Сообщите коллегам о последних новостях, пресс-релизах и сведениях из Каталога компаний через наш SMS-гейт.

Смотрите также

18 октября 2013 г

 • Fujifilm XQ1: компактная камера Х-серии
 • Обновление Kaspersky Security для SharePoint Server
 • Fujifilm X-E2: эволюция легендарной X-E1
 • UserGate Web Filter с глубоким анализом контента

17 октября 2013 г

 • Обрано оператора домену .УКР
 • Android-троянец скрывается от антивирусов, используя очередную уязвимость
 • Розетка, которая всегда под рукой
 • "Яндекс" выяснил, что украинцы ищут о свадьбе
 • Седьмая версия продуктов ESET NOD32 Antivirus и ESET Smart Security
 • МТС снижает стоимость мобильного Интернета в роуминге
 • Ультратонкий внешний накопитель ADATA Dash Drive Elite SE720
 • Объективы Sony с байонетом E для полнокадровой матрицы

16 октября 2013 г

 • Philips открывает путь к хирургии для Google Glass
 • Нові зміни в складі членів ІнАУ
 • Киевстар приглашает студентов на стажировку
 • «Лаборатория Касперского» совершенствует защиту для мобильных устройств
 • Autodesk приобретает технологии Graitec по проектированию конструкций

15 октября 2013 г

 • Mio Technology заключила договор с компанией «Навигатор»
 • Horizon – платформа браузерных расширений для операторов мобильной связи
 • В Харькове открылся крупнейший датацентр в Восточной Украине «Onehostpower»