Перспективы развития персональных компьютеров

В современную жизнь уже прочно вошли жидкокристаллические мониторы, которые удачно вписываются в интерьер, что так же важно, как и отделка помещения офиса. Первая модель ЖК-монитора впервые была создана в 1970 г. Фергесоном. Но в то время еще жидкокристаллические мониторы потребляли слишком много энергии, контрастность изображения была слабой и имели ограниченный срок эксплуатации. Но впервые его дебют произошел в 1971 году, где он был одобрен. Сам же жидкокристаллический монитор состоит из двух стеклянных или пластиковых пластин, между которыми всегда находится суспензия, а в ней в свою очередь находятся кристаллы, расположенные параллельно по отношению друг к другу, что позволяет свету проникать через панель. После того, как туда поступает электрический ток, месторасположение кристаллов сразу же изменяется, и они уже будут препятствовать проникновению света, ведь они представляют собой органические вещества, которые способны под напряжением изменить величину пропускаемого света. Но первые жидкие кристаллы еще отличались своей нестабильностью, и лишь после того, как английские ученые изобрели стабильный жидкий кристалл, так называемый бенефит, лишь после этого жидкокристаллические технологии получили широкое распространение. Примером жидкокристаллических мониторов первого поколения могут служить дисплеи в калькуляторах и электронных часах.

И совсем недавно ученые стали разрабатывать светящийся пластик, то есть свойства полимеров  светиться при пропускании через  них электрического тока. Уже более  тридцати лет ведутся исследования в этом направлении, и ученые смогли довести проводимость пластиковых  проводов до уровня медных даже на практике. И за последние пять лет компания смогла поднять квантовую эффективность  пластика до 5% при излучении желтого  света. И такие LEP-элементы интересны  еще и тем, что способны светиться  сами, а это приводит к снижению энергопотребления. Поэтому в ближайшем  будущем уже мало кого можно будет  удивить пластиковым экраном, который  будет достаточно гибким при весе в несколько грамм. Ведь самостоятельное  свечение точек увеличивает угол обзора до 180 градусов, а время переключения одной точки всего лишь составляет одну микросекунду.

Сегодня EInk проводит испытания дисплейных вывесок в магазинах компании J.C. Penney в Иллинойсе и Массачусетсе. Вывески размером 4x4 фута изготовлены из пластика, прикрепленного к вспененной основе, и способны принимать электрический импульс, вызывающий изменение текста и картинок. В течение тех же 2 лет компания планирует создать и электронную книгу с гибкими пластиковыми страницами, способными воспроизводить текст из файла, стирать его и восстанавливать. «У этой книги будут сотни страниц, которые можно будет перелистывать и на которых можно будет менять весь текст», – говорит Уилкокс. Если присоединить такую книгу к ПК, она покажет любой нужный вам текст оттуда.

Моррис из IBM предполагает развития дисплеев в инновационном  направлении: на смену относительно маленьким двумерным дисплеям придут, большие трехмерные. Моррис предсказывает использование трехмерных дисплеев для игр, развлечений, а также в медицине (например, трехмерное отображение результатов компьютерной томографии и рентгеноскопии, вероятно, сможет дать врачам более полное представление о состоянии нашего организма). На первых порах такие изображения нужно будет проецировать в стеклянный или пластиковый куб, но со временем они «научатся» возникать где угодно.

Средства беспроводного  подключения для блокнотных ПК, несомненно, развиваются очень быстро. IPAD 2 новый продукт Apple – поддерживает систему беспроводной локальной сети, позволяющую пользователям соединяться с Internet на расстоянии до100 м от точки подключения к линии. Dell тоже выпускает беспроводную сетевую плату, которой будут по желанию покупателя комплектоваться блокноты серии Latitude; в дальнейшем компания планирует предоставлять подобную возможность для всех своих портативных и настольных машин. Можно побиться об заклад, что другие компании вскоре последуют примеру этих двух. Наряду с ключевым словом «беспроводной» к будущему мобильных компьютеров часто применяют еще одно – «конвергенция».

Примером может служить  устройство PdQSmartphone компании Qualcomm – цифровой беспроводной телефон со встроенным в трубку органайзером. PdQ может автоматически дозваниваться по номерам, записанным в органайзере, выводить на экран текстовые сообщения (как в пейджере) и выполнять все стандартные программы Palm. Много похожих беспроводных устройств сейчас находятся в стадии разработки.

Беспроводной может быть не только дальняя связь. Также стандарт под названием Bluetooth предназначен для обмена данными с помощью радиоволн между мобильными устройствами, находящимися на расстоянии не более 12 м друг от друга. Дисплеи мобильных устройств также будут совершенствоваться. По словам БобаО’Доннелла, менеджера отдела дисплеев для ПК в IDC, благодаря успехам в разработке светодиодных дисплеев на базе органических соединений должны появиться более яркие и четкие экраны для ПК. Они будут потреблять меньше энергии, поскольку, в отличие от ЖК-дисплеев, не нуждаются в подсветке.

2.2 Ограниченные возможности современных компьютеров

О квантовых компьютерах  и квантовых вычислениях часто  говорят как об альтернативе кремниевым технологиям создания микропроцессоров, что, в общем-то, не совсем верно. Собственно, почему вообще приходится искать альтернативу современным компьютерным технологиям? Как показывает вся история существования  компьютерной индустрии, вычислительная мощность процессоров возрастает экспоненциально. Ни одна другая индустрия не развивается  столь бурными темпами. Как правило, когда говорят о темпах роста  вычислительной мощности процессоров, вспоминают так называемый закон  Гордона Мура, выведенный в апреле 1965 года, то есть всего через шесть лет после изобретения первой интегральной схемы (ИС).

По просьбе журнала  «Электроникс» Гордон Мур написал статью, приуроченную к 35-й годовщине издания. Он сделал прогноз относительно того, как будут развиваться полупроводниковые устройства в течение ближайших десяти лет. Проанализировав темпы развития полупроводниковых устройств и экономические факторы за прошедшие шесть лет, то есть, начиная с 1959 года, Гордон Мур предположил, что к 1975 году количество транзисторов в одной интегральной микросхеме составит 65 тыс. Фактически по прогнозу Мура количество транзисторов в одной микросхеме за десять лет должно было увеличиться более чем в тысячу раз. В то же время это означало, что каждый год количество транзисторов в одной микросхеме должно удваиваться.

Впоследствии в закон  Мура были внесены коррективы (дабы соотнести его с реальностью), но смысл от этого не поменялся: количество транзисторов в микросхемах увеличивается экспоненциально. Естественно, увеличение плотности размещения транзисторов на кристалле возможно лишь за счет сокращения размеров самих транзисторов. Уже сейчас размеры отдельных элементов транзисторов в процессорах сопоставимы с атомарными, например ширина диоксидного слоя, отделяющего диэлектрик затвора от канала переноса заряда, составляет всего несколько десятков атомарных слоев. Понятно, что существует чисто физический предел, делающий невозможным дальнейшее уменьшение размеров транзисторов. Даже если предположить, что в будущем они будут иметь несколько иную геометрию и архитектуру, теоретически невозможно создать транзистор или подобный ему элемент с размером менее 10^-8 см (диаметр атома водорода) и рабочей частотой более 10¹⁵ Гц (частота атомных переходов).

Ограниченные возможности  по наращиванию вычислительной мощности процессоров за счет сокращения размеров транзисторов – это лишь одно из узких мест классических кремниевых процессоров. Решение проблемы миниатюризации транзисторов, поиск новых материалов для создания элементной базы микроэлектроники, поиск новых физических принципов  для приборов с характерными размерами, сравнимыми с длиной волны Де-Бройля, имеющей величину порядка 20 нм, – эти вопросы стоят на повестке дня уже почти два десятилетия. В результате их решения была разработана нанотехнология.

Серьезной проблемой, с которой  пришлось столкнуться при переходе в область наноэлектронных устройств, является уменьшение рассеиваемой энергии в процессе вычислительных операций. Мысль о возможности «логически обратимых» операций, не сопровождающихся рассеянием энергии, впервые высказал Р. Ландауер еще в 1961 году. Существенный шаг в решении данной задачи был сделан в 1982 году Ч. Беннеттом, который теоретически доказал, что универсальный цифровой компьютер может быть построен на логически и термодинамически обратимых вентилях таким образом, что энергия будет рассеиваться только за счет необратимых периферийных процессов ввода информации в машину (приготовление исходного состояния) и соответственно вывода из нее (считывание результата). К типичным обратимым универсальным вентилям относятся вентили Фредкина и Тоффоли.

Другая проблема, связанная  с классическими компьютерами, кроется  в самой фон-неймановской архитектуре  и двоичной логике всех современных  процессоров. Все компьютеры, начиная  с аналитической машины Чарльза  Бэббиджа и заканчивая современными суперкомпьютерами, основаны на одних  и тех же принципах (фон-неймановская архитектура), которые были разработаны  еще в 40-х годах прошлого столетия.

Любой компьютер на программном  уровне оперирует битами (переменными, принимающими значение 0 или 1). С применением  логических элементов-вентилей над  битами выполняются логические операции, что позволяет получить определенное конечное состояние на выходе. Изменение  состояния переменных производится с помощью программы, которая  определяет последовательность операций, каждая из которых использует небольшое  число бит.

Традиционные процессоры выполняют программы последовательно. Несмотря на существование многопроцессорных  систем, многоядерных процессоров и  различных технологий, направленных на повышение уровня параллелизма, все компьютеры, построенные на основе фон-неймановской архитектуры, являются устройствами с последовательным режимом  выполнения команд. Все современные  процессоры реализуют следующий  алгоритм обработки команд и данных: выборка команд и данных из памяти и исполнение инструкций над выбранными данными. Этот цикл повторяется многократно  и с огромной скоростью.

Однако фон-неймановская архитектура ограничивает возможность  увеличения вычислительной мощности современных  ПК. Типичный пример задачи, которая  оказывается не по силам современным  ПК, – это разложение целого числа  на простые множители (простым называется множитель, который делится без  остатка только на себя и на 1).

Если требуется разложить  на простые множители число х, имеющее n знаков в двоичной записи, то очевидный способ решения этой задачи заключается в том, чтобы попробовать последовательно разделить его на числа от 2 до Для этого придется перебрать 2^n/2 вариантов. К примеру, если рассматривается число, у которого 100 000 знаков (в двоичной записи), то потребуется перебрать 3x10^{15 051} вариантов. Если предположить, что для одного перебора требуется один процессорный такт, то при скорости в 3 ГГц для перебора всех чисел будет нужно время, превышающее возраст нашей планеты. Существует, правда, хитроумный алгоритм, решающий ту же задачу за exp(n^1/3) шагов, но даже в этом случае с задачей разложения на простые множители числа, имеющего миллион знаков, не справится ни один современный суперкомпьютер.

Задача разложения числа  на простые множители относится  к классу задач, которые, как говорят, не решаются за полиномиальное время (NP-полная задача – Nondeterministicpolynomial-timecomplete). Такие задачи входят в класс невычисляемых в том смысле, что они не могут быть решены на классических компьютерах за время, полиномиально зависящее от числа битов n, представляющих задачу. Если говорить о разложении числа на простые множители, то по мере увеличения разрядности числа время, необходимое для решения задачи, возрастает экспоненциально, а не полиномиально.

С квантовыми вычислениями связывают перспективы решения NP-полных задач за полиномиальное время.

2.3 Тенденции развития персональных компьютеров

Многоядерные процессоры отражают тенденцию последних лет: производительность компьютеров постоянно  повышается и вместе с тем уменьшается потребляемая мощность. Все большее значение многоядерные процессоры приобретают в условиях всеобщей «цифрофикации» окружающей нас информации. Музыка, видео, фотографии, игры – их носители повсеместно становятся цифровыми, растет и количество устройств, генерирующих, обрабатывающих и хранящих цифровой контент (фото- и видеокамеры, DVD- и МР3-плееры).

Еще одна важная задача –  расширение коммуникационной функции  ПК. Проникновение в наши офисы  и дома новых телекоммуникационных технологий, таких как VoIP, а также рост пропускной способности сетей требует обработки огромного количества пакетов данных, но это не должно влиять на скорость работы основных приложений. Многоядерные процессоры помогут справиться с этой задачей, правильно распределив ресурс вычислительных ядер для обработки сетевых пакетов и выполнения других приложений.

Многоядерные процессоры Intel в сочетании с другими компонентами платформ предоставляют расширенные возможности для управления и для обеспечения безопасности. Они позволяют уменьшить время отклика системы во время одновременной работы нескольких управляющих или профилактических программ, таких как антивирусная проверка, обновление ПО, проверка конфигурации или запрос на инвентаризацию. Более того, используя технологию виртуализации, поддерживаемую многими платформами Intel, можно одновременно запустить несколько операционных систем без снижения производительности приложений в каждой из них.

Значительные вычислительные ресурсы многоядерных процессоров  предоставят разработчикам игр  большую степень свободы для  создания полноценной графики, для реализации физики процессов, а также функций искусственного интеллекта.

По прогнозам, к 2013 году число  транзисторов в микропроцессоре  достигнет 1 млрд., тактовая частота  возрастет до 10 ГГц, а производительность достигнет 100 млрд.оп/с. Развитие процессоров ЭВМ представляет собой систему процессоров. Каждый процессор состоит из некоторой совокупности запоминающих устройств, устройств управления и операционного устройства. Эти составные части процессора связаны между собой определенным образом. Связь между процессорами осуществляется за счет наличия общих запоминающих устройств, которые могут служить для передачи информации (в этом случае они называются буферными ЗУ) и для передачи управляющих сигналов (в этом случае они называются контактными ЗУ).