Кафедра теории и практики перевода
Высшего профессионального образования
«Севастопольский государственный университет»
Гуманитарно-педагогический институт
Кафедра теории и практики перевода
Реферат
на тему: «Новые технологии в создании компьютеров. Компьютеры будущего»
Выполнил:
студент группы АЯ-12-2п
Красюк Евгений
Научный руководитель:
преподаватель: Исаева А.В.
Севастополь 2015
Реферат
Тема:Новые технологии в создании компьютеров. Компьютеры будущего
План
1. Введение
2. Вариации и альтернативы компьютеров будущего
3. Живые машины
4. Новейшие схемы — Мемристоры
5. Изменяемые чипы: программируемые слои
6.Заключение
7.Список использованной литературы
1. Введение
Современные КОМПЬЮТЕРЫ работают все медленнее, не справляясь с задачами, которые ставит перед ними человек. Ученые уже разрабатывают вероятностные процессоры, молекулярные и биологические, оптические компьютеры и квантовые компьютеры, которые придут на смену устаревшим устройствам.
Главную роль в работе компьютера играют электроны. «Оседая» в ячейках памяти и регистрах процессора, они формируют информацию, с которой работает пользователь. Но скорость электронов конечна и не очень велика. И время, которое необходимо электрону для прохождения по системе, становится решающей преградой в дальнейшем повышении производительности компьютеров.
Выход можно найти либо в уменьшении размеров устройств, либо в новом подходе к их системам. И поскольку уменьшать размеры компьютера бесконечно нельзя - в ход идут новые алгоритмы работы и попытки заменить электроны другими частицами.
2. Вариации и альтернативы компьютеров будущего.
На данный момент ученые всего мира пытаются найти альтернативы современным компьютерам, задействовать всевозможные науки для создания намного меньших по размеру и намного более производительных составляющих, то есть они пытаются перейти на квантово-механический уровень.
Альтернативы:
-Одной из альтернатив современной полупроводниковой технике в будущем могут стать так называемые биологические компьютеры. Биокомпьютеры представляют собой гибрид информационных технологий и биохимии. Исследователи, работающие в различных областях науки (биологии, физики, химии, генетики, информатики) пытаются использовать реальные биологические процессы для создания искусственных вычислительных систем. Существует несколько принципиально различных типов биологических компьютеров, работа которых основана на искусственных нейронных сетях, эволюционном программировании, генных алгоритмах, ДНК и клеточных компьютерах. Первые два типа стали исследоваться еще в начале 40-х годов, но до настоящего времени эти исследования ни к чему реально работающему не привели. Последние три, основанные на методах генной инженерии, имеют гораздо большие перспективы, но работа в этих областях началась только пять лет назад (особенно продвинулись в этом вопросе Массачусетский технологический институт, лаборатории Беркли, лаборатории Рокфеллера, а также Техасский университет). Перспектива развития таких компьютеров весьма туманна.
Другим перспективным направлением замены полупроводниковой техники является создание бактериальных компьютеров. Они представляют собой самоорганизующиеся колонии различных "умных" микроорганизмов (очень напоминает пчел, которые организуют упорядоченную, иерархическую структуру внутри семьи). То есть, грубо говоря, стакан с бактериями и будет компьютером. Эти компьютеры очень дешевы в производстве. Им не нужна стерильная атмосфера как при производстве полупроводников. И однажды запрограммировав клетку, можно быстро вырастить миллион таких же клеток с такой же программой. Предполагается, что с помощью бактериальных компьютеров станет возможным непосредственное объединение информационной технологии и биотехнологии. Они будут управлять химическим (биохимическим) производством, делая, например, сорт пива, запрограммированный вами, или регулировать биологические процессы внутри вашего организма, например, производить инсулин. Предполагается, что бактериальные компьютеры смогут перевести вычисления на химическую основу. Основной проблемой, с которой сталкиваются создатели бактериальных компьютеров является организация всех клеток в единую работающую систему. В лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического университета создана клетка, способная хранить на генетическом уровне 1 бит информации, также разрабатываются технологии, позволяющие единичной бактерии отыскивать своих соседей, образовывать с ними упорядоченную структуру и осуществлять массив параллельных операций. Однако, решение задачи создания новой целевой функции бактерии составляет проблему.
Создание биокомпьютеров перспективно, но очень сложно. Несмотря на недостатки биокомпьютеров исследования в области биотехнологий несомненно будут продолжаться, поскольку полученные результаты важны не только для создания компьютеров, но и для всей биохимии в целом.
-Квантовые компьютеры
Квантовый компьютер будет состоять из компонентов субатомного размера и
работать по принципам квантовой механики. Квантовый мир обладает странными
свойствами: объекты в нем могут занимать несколько положений одновременно.
Но именно эта странность и открывает новые возможности.
Например, один квантовый бит может принимать несколько значений
одновременно, то есть находиться сразу в состояниях "включено", "выключено"
и в переходном состоянии. 32 таких бита, называемых q-битами, могут
образовать свыше 4 млрд. комбинаций - вот истинный пример
массово-параллельного компьютера. Однако, чтобы q-биты работали в квантовом
устройстве, они должны взаимодействовать между собой. Пока ученым удалось
связать друг с другом только три электрона.
Уже есть несколько действующих квантовых компонентов - как
запоминающих, так и логических. Теоретически квантовые компьютеры могут
состоять из атомов, молекул, атомных частиц или "псевдоатомов" -
искусственно созданных ячеек для "отлова" электронов. Ряд таких ячеек может
служить проводником электронов, так как новые электроны будут выталкивать
предыдущие в соседние ячейки. Компьютеру, построенному из таких элементов,
не потребуется непрерывной подачи энергии! Однажды занесенные в него
электроны больше не покинут систему.
Насколько близко мы подошли к действующему квантовому компьютеру?
Прежде всего необходимо создать элементы проводников, памяти и логики. Кроме
того, эти простые элементы нужно заставить взаимодействовать друг с другом.
Наконец, нужно выстроить узлы в полноценные функциональные чипы и научиться
тиражировать их. По оценкам ученых, прототипы таких компьютеров могут
появиться уже в 2005 году, а в 2010-2020 гг. должно начаться их массовое
производство.
-Недавно компания Hewlett-Packard объявила о первых успехах в
изготовлении компонентов, из которых могут быть построены мощные
молекулярные компьютеры. Ученые из НР и Калифорнийского университета в
Лос-Анджелесе объявили о том, что им удалось заставить молекулы ротаксана
переходить из одного состояния в другое - по существу, это означает создание
молекулярного элемента памяти.
Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей, способных
выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Весь такой компьютер может состоять из слояпроводников, проложенных в одном направлении, слоя молекул ротаксана и слоя
проводников, направленных в обратную сторону. Конфигурация компонентов,
состоящих из необходимого числа ячеек памяти и логических ключей, создается
электронным способом. По оценкам ученых НР, подобный компьютер будет в 100
млрд. раз экономичнее современных микропроцессоров, занимая во много раз
меньше места.
Сама идея этих логических элементов не является революционной:
кремниевые микросхемы содержат миллиарды точно таких же. Но преимущества в
потребляемой энергии и размерах способны сделать компьютеры вездесущими.
Молекулярный компьютер размером с песчинку может содержать миллиарды
молекул. А если научиться делать компьютеры не трехслойными, а трехмерными,
преодолев ограничения процесса плоской литографии, применяемого для
изготовления микропроцессоров сегодня, преимущества станут еще больше.
Первые опыты с молекулярными устройствами еще не гарантируют появления
таких компьютеров, однако массовое производство действующего молекулярного
компьютера вполне может начаться где-нибудь между 2005 и 2015 годами.
- Оптические компьютеры
По сравнению с тем, что обещают молекулярные или биологические
компьютеры, оптические ПК могут показаться не очень впечатляющими. Однако
ввиду того, что оптоволокно стало предпочтительным материалом для
широкополосной связи, всем традиционным кремниевым устройствам, чтобы
передать информацию на расстояние нескольких миль, приходится каждый раз
преобразовывать электрические сигналы в световые и обратно.
Целиком оптические компьютеры появятся через десятилетия, но работа в
этом направлении идет сразу на нескольких фронтах. Например, ученые из
университета Торонто создали молекулы жидких кристаллов, управляющие светом
в фотонном кристалле на базе кремния. Они считают возможным создание
оптических ключей и проводников, способных выполнять все функции электронных
компьютеров.
Однако прежде чем оптические компьютеры станут массовым продуктом, на
оптические компоненты, вероятно, перейдет вся система связи - вплоть до
"последней мили" на участке до дома или офиса. В ближайшие 15 лет оптические
коммутаторы, повторители, усилители и кабели заменят электрические
компоненты.
3. «Живые машины»
Все выше рассмотренные компьютеры основаны на алгоритмических принципах, но такой подход при создании нового поколения компьютеров ошибочен. Предлагается новый принцип - сделать компьютеры как можно более похожими по своим возможностям на людей. Эта мечта об имитации человеческого мыслительного процесса, издавна не давала уснуть создателям "классического искусственного интеллекта". Однако человеческий мозг функционирует абсолютно по-другому по сравнению с алгоритмическими компьютерами. Возможность учиться на собственном опыте, общаться и координировать свои действия с действиями других компьютеров обеспечивая мощный механизм адаптации к изменяющемся задачам, самосовершенствование может обеспечить только “живой компьютер”, представляющий собой динамическую “живую машину”, подобную человеческому мозгу и обладающую интеллектом. Человеческий мозг, разум, способен выйти за рамки доступной информации, полагаясь, главным образом, на огромный предшествующий эмпирический опыт. Процесс восприятия и обработки информации в мозге протекает быстро и эффективно при помощи специализированных параллельных процессов. Люди прекрасно устанавливают значение и сохраняют смысл информации, но их возможности сохранять высокую степень точности и обрабатывать сверх большие объемы информации, весьма ограничены. Поэтому новые компьютеры должны обладать более широкими возможностями, чем человеческий мозг.
Разработки российских учёных в 90-х годах прошлого столетия, в рамках научных направлений “живые машины” и “красная ртуть” , финансируемых из частных источников, позволили приблизиться к созданию таких “живых” компьютеров - “живых машин”. В качестве элементов “живых машин” выступают “живые системы” обладающие специализированными целевыми функциями.
Учитывая сложность поставленной задачи по созданию “живых” компьютеров, её многокритериальность при реализации, и ограниченность целевых функций существующих “живых систем”, из которых планируется создание новых форм жизни, требуется коренное изменение концептуальных взглядов на построение таких систем. Решение поставленных таким образом задач невозможно без применения системного подхода, рассматривающего поиск и формулировку системообразующего фактора как основу успешного построения системы в целом, для чего предлагается использовать концепцию В.И. Вернадского о переходе костной материи в живую материю, то есть преобразование “физических” систем в “живые системы”. Используя данную концептуальную модель, опираясь на теоретические основы “открытых систем”, представляется возможным построение фундаментальной базы для создания “живых систем” с заранее заданной целевой функцией выполнения конкретных динамических задач.
“Живая машина” предполагает под собой совокупность “живых систем”, связанных общей целевой функцией и представляет систему высокого порядка сложности, объединённую в образ целостного физического объекта.
Можно логически предположить, что “живые машины” должны обладать:
-целевой функцией выполняемых задач;
-функцией искусственного разума, для самостоятельного принятия решений по управлению -процессами;
-автоматической системой управления, а так же контроля внутренней и внешней среды -существования;
-разветвленной системой передаточных функций, для обеспечения адаптации “живой машины” к -изменениям внешней среды;
-разветвленной системой исполнительных механизмов и сенсорных устройств контроля результата -выполнения целевой функции;
-системой безопасности для человека, реализуемой за счет жестко ограниченной целевой функции.
Сложность процесса реализации создания “живых машин” на современном этапе развития научного направления заключается в отсутствии:
-фундаментальной научной базы по синтезу “живых” систем из “физических” (“косной материи” по В.И. Вернадскому);
-концепции создания автоматических систем управления на квантовых и квантово-размерных эффектах, а также искусственного интеллекта;
-математической и физической моделей синтеза “живых машин” из “живых” систем;
-технологической платформы способной обеспечить формирование “живых” систем на квантово--механическом уровне атомарной сборки и синтеза “живых машин”.
Создание “живых машин”, как автоматических систем управления и контроля, позволяет перейти на качественно новый технологический уровень решения проблем человечества и экологии планеты. Технологии “живых машин” - это технологии, носящее глобальный характер, они открывают человечеству путь к новым возобновляемым источникам энергии, совершенным средствам коммуникаций, накоплению и совершенствованию научных и технологических знаний.
Создание “живых компьютеров”, как “живых машин” позволит с наибольшей эффективностью решать вопросы по:
-всеобщей компьютеризации населения;
-созданию неинвазивной диагностической и терапевтической медицинской техники;
моделированию технологических процессов для создания материалов с заранее заданными свойствами;
-созданию автоматических систем управления и контроля технологических процессов в различных областях промышленного производства;
-дальнейшему развитию стратегических направлений науки и техники;
-сохранению ведущих научных школ в области физики, химии, материаловедения;
-более глубокому освоению принципиально новых методов исследования квантовой и волновой природы материи, ее основных форм существования (вещества и поля);
-исследованию уникальных квантовых и волновых свойств физического вакуума, пространства и времени, элементарных частиц, нелинейных эффектов самоорганизации материи.
4. Новейшие схемы — Мемристоры.
Это первые фундаментально новые электронные компоненты после создания в 50-х годах прошлого века кремниевых транзисторов. Мемристоры являются более скоростной, долговечной и потенциально более дешевой альтернативой флэш-памяти. А еще они в два раза более емкие – настоящее раздолье для любителей музыки.
«Если сегодня мы решим пересмотреть технологию производства компьютеров, мы просто обязаны использовать мемристорную память, считает Р. Стенли Уильямс (R. Stanley Williams), ведущий исследователь и глава группы квантовых исследований (Quantum Science Research, QSR) HP Labs в Пало-Альто, Калифорния. – Это фундаментальная структура для будущей электроники».Мемристор - другими словами, резистор с памятью, — впервые упомянул профессор Калифорнийского университета Леон Чу (Leon Chua) еще в 1971 году. Но мемристорные прототипы HP Labs не демонстрировались публично вплоть до 2008 года.
Для создания мемристоров HP использует чередующиеся слои диоксида титана и платины. Под электронным микроскопом они выглядят как серии длинных параллельных выступов. Ниже под прямым углом расположен такой же слой, образуя «кубики» с размерами ячеек 2 х 3 нм.
Ключевой момент состоит в том, что любые два соседних провода можно соединить с электрическим переключателем под поверхностью, создавая ячейку памяти. Изменяя напряжение, прилагаемое к «кубикам», ученые могут открывать и закрывать крошечные электронные переключатели, сохраняя данные, как в традиционных чипах флэш-памяти.
Новый тип памяти получил название ReRAM (Resistive Random Access Memory). Такие чипы не только позволяют сохранить в два раза больше данных, чем флэш, но и работают в 1 000 раз быстрее, а также выдерживают до 1 000 000 циклов перезаписи, по сравнению со 100 000 циклов перезаписи у стандартной флэш-памяти. Кроме того, ReRAM читает и записывает данные на сравнимых скоростях, тогда как флэш-памяти требуется намного больше времени для записи данных, чем для их чтения.
HP и южнокорейская компания Hynix заключили договор о сотрудничестве с целью наладить массовое производство чипов ReRAM, которые смогут найти применения во многих портативных устройствах, таких как мультимедийные плееры. А ведь это означает терабайты музыкальных треков, видео и электронных книг! Первые продукты с новыми чипами памяти ожидают на рынке в 2013 году.
ReRAM также придет на смену динамической оперативной памяти в компьютерах. Поскольку ReRAM энергонезависима, она не будет терять информацию при выключении системы и не будет расходовать электроэнергию, в отличие от DRAM. По мнению Уильямса, грядет эра мгновенной обработки данных. Сегодня пользователи чаще не выключают компьютеры, а отправляют их в спящий режим. Но все равно для «пробуждения» компьютерной технике требуется от нескольких секунд до минуты, и лишь после этого доступ к данным будет восстановлен. Устройства, использующие ReRAM, возвращаются в рабочее состояние мгновенно.
Более того, по словам Уильямса, есть возможность размещать массивы мемристоров внутри чипа один над другим. Это путь к созданию 3D-памяти, которая позволит более рационально использовать пространство внутри чипа, вмещать гораздо больше памяти в одинаковый физический объем.
5. Изменяемые чипы: программируемые слои
От самых скоростных процессоров к самым миниатюрным модулям памяти. Почти все чипы, используемые в современной электронике, имеют одну общую черту: их активные элементы находятся в верхних 1-2% слоя кремния, из которого он сделан.
В ближайшие несколько лет ситуация изменится, так как производители будут стараться втиснуть в вертикальные слои как можно больше компонент. Некоторые производители, такие как Intel, используют технологии склеивания отдельных чипов, а ученые из Университета Рочестера создают многослойные 3D-структуры внутри чипов. Оба подхода являются очень сложными и дорогими.
Вот если бы можно было заставить чипы перестраивать свою схему «по требованию», чтобы иметь несколько слоев активных элементов. Эта идея была воплощена в технологии Spacetime от Tabula и нашла применение в архитектуре чипов ABAX.
Вместо того, чтобы намертво впечатывать в кремний несколько слоев постоянных компонент, ABAX использует перепрограммируемые схемы, которые могут изменять функции в зависимости от требований пользователя. Сегодняшние чипы производителя содержат 8 разных слоев, свойства которых можно изменить в мгновение ока.
«Это выглядит примерно как супермаркет с восемью этажами, — объясняет Стив Тиг (Steve Tieg), глава по технологиям компании Tabula. – Чтобы перемещаться между этажами вы пользуетесь эскалатором». Но вместо того, чтобы создавать восемь отдельных физических этажей с собственной структурой и ассортиментом товаров, Tabula продемонстрировала способ создать единый слой (или этаж), который можно переконфигурировать в зависимости от задач.
Перепрограммирование чипа в рабочее состояние занимает всего 80 пикосекунд, в 1000 раз быстрее цикла вычислений обычного чипа. Таким образом, слои меняются практически «на лету», пока чип находится в ожидании следующей цепочки команд.
Таким образом, чипы ABAX позволяют сделать больше с меньшими затратами. Сделанные с использованием традиционной технологии производства полупроводников, чипы Tabula ABAX обходятся производителю примерно в ту же сумму, что и производство обычных чипов. Данный дизайн по-прежнему использует только верхние слои чипа, но один слой выполняет функции восьми различных чипов. По словам Тига, технология позволяет увеличить плотность схем в два раза, а память и пропускную способность видео – в 3.5 раза.
Сегодня Tabula сконцентрировала усилия на производстве чипов для специальных целей. Такие чипы – настоящие «рабочие лошадки» нашего времени. Они находят применение, например, в беспроводных маршрутизаторах или оборудовании для вышек сотовой связи.
В дальнейших планах Tabula – наладить производство чипов для популярных электронных устройств – цифровых камер, игровых консолей, а быть может даже и для полноценных компьютеров. Текущий 8-слойный дизайн чипов уже запущен в массовое производство, и сейчас Tabula работает над созданием 12-слойной версии с перспективой увеличения количества слоев до 20.
«Не существует ограничения на количество слоев, которые мы могли бы интегрировать», — отметил Тиг.
Заключение
Что дальше?
Термин "квантовый скачок" означает, что в квантовом мире изменения
происходят не постепенно, а скачками. К началу двадцатых годов XXI века,
если не раньше, подобный скачок произойдет и в вычислительной технике: к
тому времени мы перейдем от традиционных кремниевых полупроводников к более
совершенным технологиям.
Результатом станут намного более компактные, быстродействующие и
дешевые компьютеры. Появится возможность наделять любые промышленные
продукты определенными интеллектуальными и коммуникационными способностями.
Банка кока-колы, помещенная в холодильник, на самом деле будет
саморегистрироваться в его сети; предметы - автоматически упорядочиваться.
Каждый человек ежесекундно будет пользоваться Интернетом, хотя за
большинством обращений к нему будут следить его электронные персональные
агенты, автоматически отвечая на вызовы или переадресовывая их в службу
передачи сообщений.
К 2030 году может начаться распространение вживленных устройств с
прямым доступом к нейронам. Ближе к середине столетия в мире
киберпространства будут царить микро- и наноустройства (интеллектуальная
пыль). К тому времени Интернет будет представлять собой отображение почти
всего реального мира. Причем разрешение изображений, учитывая вероятные
размеры емкости запоминающих устройств того времени, будет очень высоким.
Надев на себя шлем виртуальной реальности, можно будет совершить полноценный
круиз в любой уголок земного шара, не покидая своей квартиры. А если
кто-нибудь, скажем, из Рима, захочет нанести вам визит через Сеть, вы
сможете открыть для него (и для всего мира) свое собственное изображение
реального времени. Таким образом грань между кибер- и реальным пространством
начнет исчезать.
На биологическом фронте исследования в области клетки приближают
возможность замены тканей или органов, включая нейроны, которые раньше
считались незаменимыми. Более того, клетки и ткани можно будет наделять
способностями обработки и передачи данных. Подобный контроль над живыми
процессами дает надежду на увеличение продолжительности жизни: ученые не
видят принципиальных препятствий к тому, чтобы люди жили по несколько сотен
лет.
Пока здравый смысл не приспособился к переменчивому технологическому
миру, это будущее кажется чуждым такому знакомому современному миру.
Путешествие во времени может завести и в рай, и в ад, но, во всяком случае,
скучным его не назовешь.
Список использованной литературы
1.Сайт "Поколения ЭВМ"
2.Компьютеры будущего (статья из газеты "Известия", видеокомпьютер)
3.Статья с Fornit - сайта о науке «Компьютеры будущего»
4.Хронология прогнозов будущих событий — Википедия
5.Kirstiealleyfan - Компьютеры будущего, какими они будут?