Особенности и перспективы компьютеров пятого поколения

Недавно компания Quest Communications проложила оптический кабель с 96 волокнами (48 из них она зарезервировала для собственных нужд), причем по каждому волокну может пропускаться до восьми световых лучей с разной длиной волны. Возможно, что при дальнейшем развитии технологии мультиплексирования число лучей увеличится еще больше, что позволит расширять полосу пропускания без замены кабеля.

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.

 
4.4. Квантовые компьютеры

Квантовый компьютер  будет состоять из компонентов субатомного  размера и работать по принципам  квантовой механики. Квантовый мир - очень странное место, в котором  объекты могут занимать два разных положения 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-паралельного 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". Последний представляет собой четыре квантовых ячейки на кремниевой подложке, образующих квадрат, причем в каждой такой ячейке может находиться по электрону. Когда присутствуют два электрона, силы отталкивания заставляют их размещаться по диагонали. Одна диагональ соответствует логической "1", а вторая - "0". Ряд таких ячеек может служить проводником электронов, так как новые электроны будут выталкивать предыдущие в соседние ячейки. Компьютеру, построенному из таких элементов, не потребуется непрерывная подача энергии. Однажды занесенные в него электроны больше не покинут систему.

Теоретики утверждают, что  компьютер, построенный на принципах  квантовой механики, будет давать точные ответы, исключая возможность  ошибки. Так как в основе квантовых  вычислений лежат вероятностные  законы, каждый q-бит на самом деле представляет собой и "1", и "0" с разной степенью вероятности. В результате действия этих законов менее вероятные (неправильные) значения практически исключаются.

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 встроить узлы в полноценные функциональные чипы и научиться тиражировать их. По оценкам ученных, прототипы таких компьютеров могут появиться уже в 2005 году, а в 2010-2020 годах должно начаться их массовое производство.

5.  ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРОВ ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ

На ЭВМ пятого поколения  ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработки всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров - устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютер теперь используется и дома, это компьютерные игры, прослушивание высококачественной музыки, просмотр фильмов. Уже сейчас компьютеры способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволяет общаться с компьютерами всем пользователям, даже тем, кто не имеет специальных знаний в этой области. 

Параллельно с аппаратным усовершенствованием современных  компьютеров разрабатываются и  технологические разработки по увеличению количества инструкций. Первой разработкой в этой области стала MMX (MultiMedia eXtension- "мультимедиа–расширение") — технология, которая может превратить "простой" Pentium ПК в мощную мультимедийную систему.

Создавая технологию MMX, фирма Intel стремилась решить две  задачи: во-первых, задействовать неиспользуемые возможности, а во-вторых, увеличить  производительность ЦП при выполнении типичных мультимедиа-программ. С этой целью в систему команд процессора были добавлены дополнительные инструкции (всего их 57) и дополнительные типы данных, а регистры блока вычислений с плавающей запятой выполняют функции рабочих регистров.

Дополнительные машинные команды предназначены для таких  операций, как быстрое преобразование Фурье (функция, используемая при декодировании видео), которые зачастую выполняются специальными аппаратными средствами.

Процессоры, использующие технологию MMX, совместимы с большинством прикладных программ, ведь для "старого" программного обеспечения регистры MMX выглядят точно так же, как обычные регистры математического сопроцессора. Однако, встречаются и исключения. например, прикладная программа может одновременно обращаться только к одному блоку - либо вычислений с плавающей запятой, либо MMX. В ином случае результат, как правило, не определен и нередко происходит аварийное завершение прикладной программы.

Кроме технологических  решений по увеличению количества инструкций, велась работа и по улучшению процесса производства. Ведь транзисторов для  обработки информации становилось все больше и больше, и они в конце концов просто не помещались на кристалл, что приводило к более совершенным решениям. В настоящее время процессоры Intel выпускаются по техпроцессу с нормой в 0,13 мКм, и на одном квадратном миллиметре кристалла располагается миллионы транзисторов. Intel планирует перейти на 0,09 мКм техпроцесс в ближайшем будущем.

Последним уже завершенным  процессором Intel является процессов Intel Itanium (IA-64).  По мнению представителей Intel, архитектура процессора Itanium - это самая значительная разработка со времени презентации 386-го процессора в 1985 г. Первые образцы 64-разрядного процессора Intel представляют собой картридж размером примерно 10х6 см, который включает в себя кэш-память третьего уровня емкостью 2 либо 4 Мбайт и радиатор. Картридж монтируется в разъем типа Slot и имеет 418 выводов. Процессор имеет трехуровневую иерархию сверхоперативной памяти. Если кэш-память первого и второго уровней интегрирован прямо на кристалле процессора, то микросхемы кэш-памяти третьего уровня расположены на самой плате картриджа. На реализацию процессора с соблюдением проектных норм 0,13 мКм потребовалось около 320 млн. транзисторов, из которых только 25 млн. пришлось на реализацию самого ядра, а остальные — на кэш-память. Самый большой модуль процессора — это блок вычислений с плавающей запятой, он занимает около 10% площади кристалла. Производительность Itanium составляет до 6,4 млрд. операций с плавающей запятой в секунду. Благодаря архитектуре EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) и 15 исполнительным устройствам процессор может выполнять до 20 операций одновременно. При этом он может непосредственно адресовать до 16 Тбайт (240) памяти при пропускной способности до 2,1 Гбайт/с. В процессоре реализована поддержка всех расширений Intel (технологии MMX, eMMX, SSE, и симметричной мультипроцессорной обработки), за исключением SSE2.

Термин "квантовый  скачок" означает, что в квантовом  мире изменения происходят скачками. Похоже, что где-то около 2020 года, 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 Сетью, хотя за большинством обращений к нему будут следить специальные устройства, 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 всего реального мира. Представьте себе мир, окутанный беспроводной сетью данных, по которой путешествуют огромные объемы информации. Тогда такие фантастические и мистические явления, как телепатия и телекинез, станут самым простым проявлением Всемирной сети. Грубо говоря, телепатия будет выглядеть как сгенерированная вашими нейронами информация, путешествуя в пакетах к другим нейронам для расшифровки. Почти как протокол TCP/IP сегодня. А телекинез (передвижение мыслью физических объектов) будут производить наноустройства, активированные вашей мысленной командой. Простейшие устройства, реагирующие на мысленные команды, существуют уже и сегодня. Хотя к тому времени вам вряд ли захочется передвигать реальные объекты, если возможно будет просто переместить их цифровые копии. Без шлемов виртуальной реальности можно будет совершить полноценный круиз в любой уголок земного шара, не покидая своей квартиры. Мысленно можно будет вызвать цифровую проекцию любого места, причем события в нем будут отображаться в реальном времени. Или наоборот, спроецировать себя, в любую точку нашей планеты. Таким образом, грань между кибер- и реальным пространством исчезнет.

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 увеличение продолжительности жизни: ученые не видят принципиальных препятствий к тому, чтобы люди жили по несколько сотен лет.

К концу 21-го века, благодаря  достижениям генной инженерии в  сочетании с биоинженерными тканями  и имплантантами, люди станут совсем не похожими на современных. Пока не ясно, какой процент населения пожелает принять участие в подобных усовершенствованиях, но отказавшиеся рискуют остаться сторонними наблюдателями, следя с обочины за тем, как люди, развитые биоинженерными методами, гигантскими шагами устремляются вперед рука об руку с разумными машинами. Могу себе представить, как в какой-то момент человечество разделится на два лагеря, будут социальные волнения, но прогресс не остановить. Если все это будет происходить, как прогнозируется, годах в 2050-х, то, как вы думаете, кто будет самой консервативной частью общества? Правильно - нынешняя молодежь, правда, к тому времени немного постаревшая. Примерно, как сейчас бабушки и дедушки недоверчиво косятся на коробчатые компьютеры, так же будущее старшее поколение будет недоверчиво смотреть на своих детей, получающих биологические имплантанты при рождении и общающихся не открывая рта.

Конечно, заглянуть вперед более чем на несколько лет  можно лишь чисто умозрительно, хотя в том что ко второй половине этого  века обрабатывающая мощность компьютеров  превысит интеллектуальные способности человека, можно не сомневаться. Вполне вероятно, что к тому времени начнется и колонизация Солнечной системы. А к 22-му веку и люди, и компьютеры широко распространятся по ее планетам и начнут готовиться к освоению ближайших звездных систем.

Пока здравый смысл не приспособился к переменчивому миру квантовой механики, 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.

Заключение

Возможно, скоро смогут появиться компьютеры фемтового диапазона (фемтосекунды: 10 в 15 степени операций в секунду). Это будет означать не только грандиозное увеличение вычислительных мощностей, но и откроет принципиально новые, трудно вообразимые даже в наш фантастический век возможности моделирования человеческого и даже сверхчеловеческого разума, если автономно действующие компьютеры научатся «воображать» и сумеют придумать то, что сейчас недоступно воображению и творческим возможностям человека.

Переход к компьютерам с фемтовой скоростью, создание биомолекулярных чипов, а также использование физического эффекта Джозефсона, будет связано, по-видимому, с целой серией радикальных революционных изменений, которые позволят говорить о компьютерах совершенно новых поколений. Уже сейчас по объему выполняемых логических операций на один кубический грамм вещества компьютеры способны конкурировать с мозгом человека. Использование биомолекулярных чипов, джозефсоновских переходов и других инноваций позволит создать миниатюрные агрегаты, превосходящие человека в сотни раз по объему памяти, в миллионы раз и даже миллиарды раз по скорости выполняемых инструкций, с невероятным разнообразием функциональных структур и операций, с минимальным потреблением энергии и надежностью, гарантирующей гигантскую продолжительность безотказной и бесперебойной работы. Надвигающаяся на нас третья компьютерная революция, может быть, приведет к труднопредвидимым результатам, к созданию компьютеров немыслимых скоростей и интеллектуальных компьютеров. Будут ли эти компьютеры превосходить человеческий интеллект, станут ли они соперниками, друзьями, врагами, помощниками или господами человека, сейчас трудно сказать. Но бесспорно одно: все эти проблемы из сферы научно-фантастических романов переходят в область серьезных и прогностических исследований.