Использование новых решений в архитектуре компьютера

Это вторая по счету, но первая по значению причина. Это принцип параллельной обработки данных, т.е. одновременное (параллельное) выполнение нескольких действий. Параллельная обработка данных имеет две разновидности: конвейерность и собственно параллельность.

И дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счет новых решений в архитектуре компьютера, либо за счет новых принципов построения и работы микросхем.

В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них "встроенного искусственного интеллекта", предполагается дальнейшее усложнение структуры. В первую очередь это касается совершенствования процессов общения пользователей с ЭВМ (использование аудио-, видеоинформации, систем мультимедиа и др.), обеспечения доступа к информационным хранилищам (базам данных и базам знаний), организации параллельных вычислений. Несомненно, что этому должны соответствовать новые параллельные структуры с новыми принципами их построения.

Использование нанотехнологий

Нанотехнологии – это технологии манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне.

Исследователи фирмы IBM обнаружили, что ячейкой хранения информации, размером в 1 бит, может выступать отдельный атом. Используя сканирующий туннельный микроскоп, ученые помещали атом железа, функционирующий как самостоятельный магнит, на тонкую пленку нитрида меди. При этом за счет взаимодействия с окружающими атом железа немагнитными атомами возникает явление магнитной анизотропии: магнитный момент ориентируется в определенном направлении.

Направление магнитного момента можно использовать, как значение бита: 0 или 1. Если однобитовую ячейку действительно удастся довести до размера одного атома, то объемы информации, которые могут хранить жесткие диски, возрастут в тысячи раз.

Другая группа исследователей в IBM совершили другой прорыв в области нанотехнологий, который позволяет многократно уменьшить размеры процессора. В качестве элементарного переключателя (элемента логического вентиля), может использоваться отдельная молекула, которая может переходить из состояния "вкл." в состояние "выкл." без изменения формы.

Перспективные альтернативные пути построения будущих эвм

Наиболее перспективные альтернативные пути построения будущих ЭВМ это:

• создание молекулярных и биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

• разработка квантовых компьютеров;

• разработка оптических компьютеров.

Молекулярные компьютеры. Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способного менять их ориентацию и реагировать на воздействия током, светом и т.п. Например, ученые фирмы Калифорнийского университета доказали принципиальную возможность создания молекулярной памяти ЭВМ. Ведутся работы по созданию логических схем, узлов и блоков. По оценкам ученых, подобный компьютер в 100 млрд. раз будет экономичнее современных микропроцессоров.

Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры. Идея создания подобных компьютеров базируется на основе теории персептрона — искусстве венной нейронной сети, способной обучаться. Автором этих идей был Ф. Розенблат. Он указал, что структуры, обладающие свойствами мозга и нервной системы, позволяют получить целый ряд преимуществ:

• параллельность обработки информационных потоков;

• способность к обучению и настройке;

• способность к автоматической классификации;

• более высокую надежность;

• ассоциативность.

Компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, могут искать нужные решения посредством самопрограммирования, на основе соответствия множеств входных и выходных данных. В настоящее время уже созданы и используются программные нейропакеты, которые доказывают возможность построения подобных машин на СБИС.

Квантовые компьютеры. Принцип работы элементов квантового компьютера основан на способности электрона в атоме, иметь различные уровни энергии: Е₀, Е₀,..., Е_N. Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий, связан с поглощением кванта электромагнитной энергии(фотона). При излучении фотона осуществляется обратный переход. Всеми подобными переходами можно управлять, используя действие электромагнитного поля от атомного или молекулярного генератора. Этим исключаются спонтанные переходы с одного уровня на другой.

Основным же строительным блоком квантового компьютера служит qubit — Quantum Bit, который может иметь большое число состояний. Для таких блоков определен логически полный набор элементарных функций. Известны эксперименты по созданию RISC-процессора на RSFQ-логике (Rapid Single Flux Quantum) и проекты создания петафлопных (1000 триллионов операций/с) компьютеров.

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

Пока отсутствуют проекты создания чисто оптических процессоров, но уже проводятся эксперименты по проектированию оптоэлектронных и оптонейронных отдельных устройств.