Реферат: Перспективы развития компьютерной техники (новейшие разработки 2005г.)
Здесьдолжен быть титульный лист…
<span Arial",«sans-serif»">Оглавление
<span Arial",«sans-serif»">
Введение с.3
Глава I. Оптический компьютер с.4
Глава II. Квантовый компьютер
Глава III. Нейрокомпьютер
Глава IV. Новейшие достижения
Заключение
Список использованной литературы
<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA"><span Arial",«sans-serif»">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, квантовый компьютер, нейрокомпьютер.
2. Анализ новейшихдостижений к компьютерной технике.
<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA"><span Arial",«sans-serif»">Глава
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">I<span Arial",«sans-serif»">. ОптическийкомпьютерРазвитиевычислительной 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, чтопрогресс 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 оптическихкомпьютеров, носителем информации в которых 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 оптической бистабильности. Оптическаябистабильность — это одно из проявлений взаимодействия света с веществом внелинейных системах с обратной связью, при котором определенной интенсивности иполяризации падающего на вещество излучения соответствуют два (аналог 0 и 1 вполупроводниковых системах) возможных стационарных состояния световой волны,прошедшей через вещество, отличающихся амплитудой и (или) параметрамиполяризации. Причем предыдущее состояние вещества однозначно определяет, какоеиз двух состояний световой волны реализуется на выходе. Для большего пониманияявление оптической бистабильности можно сравнить с обычной петлей магнитногогистерезиса (эффект, используемый в магнитных носителях информации). Увеличениеинтенсивности падающего 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.<span Times New Roman"">
световые потоки, вотличие от электрических, могут пересекаться друг с другом;2.<span Times New Roman"">
световые потоки могут бытьлокализованы в поперечном направлении до нанометровых размеров и передаватьсяпо свободному пространству;3.<span Times New Roman"">
скорость распространениясветового сигнала выше скорости электрического;4.<span Times New Roman"">
взаимодействие световыхпотоков с нелинейными средами распределено по всей среде, чтодает новые степени свободы (посравнению с электронными системами) в организации связи и создании параллельныхархитектур.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.
<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA"><span Arial",«sans-serif»">Глава
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">II<span Arial",«sans-serif»">. Квантовый компьютер<span Times New Roman",«serif»; mso-bidi-font-style:italic">Создание качественно новых вычислительных систем сболее высокой производительностью и некоторыми характеристиками искусственногоинтеллекта, например с возможностью самообучения,- очень актуальная тема.Последние десять лет такие разработки ведутся во многих направлениях — наиболееуспешными и быстро развивающимися из них являются квантовые компьютеры, нейрокомпьютерыи оптические компьютеры, поскольку современная элементная и технологическаябаза имеет все необходимое для их создания.
<span Times New Roman",«serif»">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 волновойфункции, ее значение представляется в виде вектора с большим числомзначений. Существуют волновые функции, которые называются собственными длякакой-либо определенной величины. Квантовая система может находиться всостоянии с волновой функцией, равной линейной комбинации собственных функций,соответствующих каждому из возможных значений (такое состояние называетсясложным), т. е. физически — ни в возбужденном, ни в основном состоянии. Этоозначает, что кубит в одну единицу времени равен и 0, и 1, тогда какклассический бит в ту же единицу времени равен либо 0, либо 1. Как дляклассических, так и для квантовых компьютеров были введены элементарныелогические операции: дизъюнкция, конъюнкция и квантовое отрицание, при помощикоторых будет организована вся логика квантового компьютера.
<span Times New Roman",«serif»">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.
<span Times New Roman",«serif»">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.
<span Times New Roman",«serif»">Длятого чтобы практически реализовать квантовый компьютер, существуют нескольковажных правил, которые в <st1:metricconverter ProductID=«1996 г» w:st=«on»>1996 г</st1:metricconverter>. привел Дивиченцо (D.P. Divincenzo). Без их выполненияне может быть построена ни одна квантовая система.
1.<span Times New Roman"">
Точно известное число частиц системы.2.<span Times New Roman"">
Возможность приведения системы вточно известное начальное состояние.3.<span Times New Roman"">
Высокая степень изоляции от внешнейсреды.4.<span Times New Roman"">
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.
<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA"><span Arial",«sans-serif»">Глава
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">III<span Arial",«sans-serif»">. Нейрокомпьютер<span Times New Roman",«serif»">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. Онпредложил 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.<span Times New Roman"">
Параллельностьобработки информации.2.<span Times New Roman"">
Способностьк обучению.3.<span Times New Roman"">
Способностьк автоматической классификации.4.<span Times New Roman"">
Высокаянадежность.5.<span Times New Roman"">
Ассоциативность.Нейрокомпьютеры — это совершенно новый тип вычислительной техники, иногда ихназывают 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 расположениевершин, в данном случае нейрочипов, и пути их соединения). Возможна эмуляциянейрокомпьютеров (моделирование) — как программно на ПЭВМ и суперЭВМ, так ипрограммно-аппаратно на цифровых супербольших 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.
<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA"><span Arial",«sans-serif»">Глава
<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">IV<span Arial",«sans-serif»">. Новейшие достижения<span Times New Roman",«serif»">Суперпамять
<span Times New Roman",«serif»">Недавно американскаяфирма Nantero из Бостона,разработала технологию, позволяющую серийно производить чипы памяти нананотрубках до 10Гб данных. Память нового поколения, использующая массивфуллереновых трубок на поверхности чипа кремния (NRAM, Nanoscale Random AccessMemory) будет хранить данные даже после отключения питания устройства. Этонаводит на мысли, как резко может измениться структура компьютера. Ведь по сути,это качественный скачок в производстве компьютеров. Загрузка компьютеров,оснащенных такой памятью, при включении будет происходить мгновенно. Да ибыстродействие компьютеров значительно возрастет, так как не будет обращения квинчестеру. Винчестеры как таковые будут не нужны! Можно будет отказаться отсистемного блока!
<span Times New Roman",«serif»">Компьютер недалекогобудущего состоит из следующих частей. Жидкокристаллический дисплей <st1:metricconverter ProductID=«19 дюймов» w:st=«on»>19 дюймов</st1:metricconverter> на которомсзади 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 дизайнерСабрина Рааф представила робота, озабоченного проблемами экологии. TranslatorII: Growerпредставляет 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 — <img src="/cache/referats/19526/image002.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1043">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
Рис. 1 Робот-натуралист
<img src="/cache/referats/19526/image003.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1042">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 AMDпрезентовали суперкомпьютер«СКИФ К-1000». Он предназначен для решения широкого спектра задач в различныхобластях науки. Этого монстра собрали наши соотечественники совместно сбелорусскими коллегами из 576 процессоров AMDOpteron. Компьютер получилсясамым мощным на всей территории СНГ и Восточной Европы и занимает почетное 98место в рейтинге самых скоростных машин ТОР500. Главное, что разработчики неостановились на достигнутом, и продолжают разработки. Возможно, скоро именно вРоссии будут трудиться 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
Рис. 1 ServiceRobot
<img src="/cache/referats/19526/image004.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1045"><img src="/cache/referats/19526/image006.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1044">Компания Fujitsuпредставила универсального робота-носильщика. Еще в фойе робот приветствуетгостей отеля хриплым баритоном. Уточнив номер комнаты, ServiceRobotберет тяжелые чемоданы в обе «руки» и начинаетдвижение в сторону лифта. А если вещей много, выкатывает специальную тележку.Электронная карта отеля, восемь камер и ультразвуковые сенсоры позволяютроботу преодолевать любые препятствия. Правое и левое колеса вращаютсянезависимо, поэтому движение по наклонным и неровным поверхностям даетсялегко. Используя систему обработки трехмерных изображений, робот может хвататьпредметы и протягивать их гостям. За реалистичное движение «рук» отвечаетмодель нервной системы позвоночных. В продолжение своей миссии ServiceRobotнажимает кнопку вызова лифта, поднимается наэтаж и провожает гостей в номер. Робот чутко воспринимает голосовыеинструкции. Три микрофона позволяют ему определить источник команд, чтобыобернуться на голос. Справки об отеле можно получить на цветном сенсорномэкране. Робот подключен к интернету по интерфейсу Wi-Fi802.11b.Дроид самостоятельно контролирует заряд батареи и время от времениотправляется на базу для индукционной подзарядки без прямого контакта сзарядным устройством. Ночью робот патрулирует коридоры отеля. Размеры ServiceRobot-65x57x130 см. Вес робота — <st1:metricconverter ProductID=«63 кг» w:st=«on»>63 кг</st1:metricconverter>. Скорость движения — до <st1:metricconverter ProductID=«3 км/ч» w:st=«on»>3 км/ч</st1:metricconverter>.ServiceRobotпоступит в продажу виюне 2005 года по цене 18 тысяч долларов.<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA"><span Arial",«sans-serif»">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-оптическиекомпьютеры. Для того чтобы создать мощную систему обработки информации,пришлось разработать гибридную систему, т. е. имеющую свойства как оптических,так и нейронных компьютеров. И с целью проиллюстрировать практическоевоплощение компьютерного прогресса, вданной работе были приведены примеры новейших изобретений в сфере высокихтехнологий.
<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA"><span Arial",«sans-serif»">Списокиспользованной литературы
1.<span Times New Roman"">
Глазер В. “Световодная техника” М. Энегроатомиздат 1995г.2.<span Times New Roman"">
Оокоси Е.Оптоэлектроника и оптическая связь. М.: Мир, 1998г.3.<span Times New Roman"">
ЖурналPC Magazine (Russian Edition ) N2 1991г.4.<span Times New Roman"">
М. ГУК“Аппаратные средства IBMPC” Питер Санкт-Петербург 1997г.5. Журнал «Хакер» октябрь <st1:metricconverter ProductID=«2004 г» w:st=«on»>2004 г</st1:metricconverter>. – январь <st1:metricconverter ProductID=«2005 г» w:st=«on»>2005 г</st1:metricconverter>.