Исследование истории развития средств вычислительной техники

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Электроника давно и прочно пришла в нашу жизнь. Мы не можем представить себе ни дня без любимого смартфона, планшета или компьютера. Вместе с развитием электроники становятся понятны и ее ограничения — мы понимаем, что, несмотря на весь ее потенциал, у нее есть фундаментальные ограничения. Впрочем, ученые не были бы учеными, если бы не хотели сделать наш мир лучше, и самые светлые умы планеты уже много лет бьются над тем, чтобы электроника стала работать еще быстрее и эффективнее. Для этого они ищут в том числе альтернативные способы производить вычисления, то есть использовать для передачи информации не электрический ток, а что-то другое. Стимулом к развитию в данном случае выступает как необходимость делать более сложные вычисления для научных целей, так и чисто потребительский интерес к более быстрым, энергоэффективным и «вместительным» устройствам. Поэтому недостатка в исследованиях нет, а о самых интересных и необычных мы и расскажем в этом материале.

Целью данной работы является исследование истории развития средств вычислительной техники, для достижения поставленной цели, были выделены следующие задачи:

- рассмотреть этапы и историю развития вычислительной техники;

- изучить компьютерную революцию и электронный период развития вычислительной техники;

- рассмотреть компьютеры будущего.

Объект исследования - средства вычислительной техники.

Предмет исследования - история развития средств вычислительной техники.

Структура работы состоит из введения, основной части, заключения и списка литературы.

Теоретической и методологической базой данной работы послужили труды российских и зарубежных авторов в области информатики, материалы периодических изданий и сети Интернет.

ГЛАВА 1 ЭТАПЫ И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

1.1 История развития средств вычислительной техники

В истории ВТ можно выделить следующие четыре периода:

• домеханический (период абака);
• механический;
• электромеханический;
• электронный.

В домеханический период использовались подсобные средства для счета и создавались таблицы, календари, устройства и приборы, облегчающие счет человеку.

Вообще потребность в счете возникла у людей в давние времена. Вначале регистрация счета была довольно примитивной: счет либо осуществлялся на костяных или каменных орудиях труда, на которых делались зарубки, либо сводился к перекладыванию по определенным правилам камешков, костяшек, дощечек.

В качестве математических приемов счисления уже в IV тысячелетии до н.э., надо полагать, применялась непозиционная (неоднозначная) система. А тысячу лет спустя появилась позиционная (шестидесятичная) система счисления^[1].

Первое свидетельство о средствах подсчета относится примерно к 3-тысячному году до н.э. Именно этим временем датируется найденная археологами вблизи местечка Вестаница в Чехии т.н. "вестаницкая кость" с зарубками. Тогда же месопотамские математики использовали табулированные величины (таблицы обратных величин, умножения, второй и третьей степени, квадратных и кубических корней), составлялись календарные расчеты астрономических явлений.

В произведениях древнегреческих поэта Гомера и драматурга Аристофана, относящихся к V-IV вв. до н.э., упоминается о распространении пальцевого счета, который зародился, очевидно, ранее. Его до сих пор используют в ряде случаев биржевые маклеры.

В середине I тысячелетия до н.э. были созданы древнейшие из вычислительных устройств: "саламинская доска" — на острове Саламин в Эгейском море, "абак" — в Древней Греции и Риме, а затем в Западной Европе, "суанпан" — в Китае, "серобян" — в Японии. Они представляли собой доски из бронзы, камня, дерева, слоновой кости, цветного стекла с полосковыми углублениями, в которых перемещались с целью вычисления кости или камешки (калькули). Эти счеты просуществовали до эпохи Возрождения.

Выдающимся событием I тысячелетия н.э. было создание в IX в. "Арифметического трактата" узбекским ученым Мухаммедом бен Муса ал-Хорезми (Мухаммедом сыном Мусы из Хорезма). В XII в. трактат был переведен с арабского на латинский язык средневековой Европы. Европейцы впервые познакомились с десятичной системой счисления, пришедшей к арабам из Индии. Широко в мире стали известны четыре арифметические действия, а сами их правила долгое время назывались именем ал- Харезми — алхоризм, algorithmi, алгоритм. Это не могло не способствовать развитию средств вычислительной техники^[2].

В эпоху Возрождения появились канцелярские счеты, пришедшие в Европу с Востока. В начале XVII в. стало известно несколько их устройств. Одним из них были палочки Непера, позволявшие производить умножение. Другим было устройство, которое называется сейчас логарифмической линейкой.

В России средства, облегчавшие вычисления, также были известны еще в давние времена. Так, при строительстве храмов в Киевской Руси применялись графики и специальные устройства для определения размеров и форм куполов, арок и других элементов архитектуры. В XVI в. здесь широко использовался "счет костьми" при измерении вотчинных и поместных владений, государственных земель, а также при подсчетах в торговле и артиллерии. Для облегчения налоговых счислений была создана т.н. "сошная арифметика", в которой соха принималась за единицу счета, a в дальнейшем — "дощатый счет" и конторские счеты.

1.2 Механический период

Механический период означал появление машин, в которых операции выполнялись механизмами, приводившимися в действие человеком. Уже во времена средневековья стали механически интерпретировать и воспроизводить функции человеческого мозга. Так, "мыслительная машина" средневекового богослова Луллия, дававшая ответы' на вопросы "сколько?", "когда?", "какой из двух?" и др.. представляла собой ПОПЫТКА механического воспроизведения самого процесса мышления человека. Вопросы и ответы в ней строились на основе таких характеристик, как грех, добродетель и т. п^[3].

Один из проектов механической вычислительной машины принадлежит выдающемуся художнику и мыслителю эпохи итальянского Возрождения Леонардо да Винчи (1452—1519 гг.). Он набросал эскиз тринадцатиразрядного суммирующего устройства с десятизубными колесами. Этот набросок был обнаружен в конце 60-х годов XX в. в архиве автора, хранящемся в Национальной библиотеке Мадрида. В соответствии с ним уже в наши дни американская фирма по производству компьютеров IBM в целях рекламы построила действующую машину.

Первая счетная машина, о которой сохранились сведения, описана в 1623 г. немецким профессором В. Шиккардом. Нет точных данных, была ли она построена, но в начале 60-х гг. нашего века ее сконструировали по этим описаниям ученые Тюрингского университета. Операции сложения и вычитания осуществлялись в ней механически, а умножения и деления — с элементами механизации.

Более известна машина французского математика, физика и философа Б. Паскаля. Молодой. 18­летний Паскаль, независимо от В. Шиккарда, в течение трех лет упорного труда (1641-1644) создал машину ("Паскалину"), которая могла суммировать. Он делал ее в помощь отцу — правительственному ревизору финансов. О ней ходили легенды и писали стихи. Весь высший свет стекался в Люксембургский дворец, чтобы посмотреть на удивительное изобретение. Его автор получил королевскую привилегию на изготовление и продажу своей машины. В настоящее время существует более 50 экземпляров машины Паскаля. Несколько ее моделей демонстрируется в одном из музеев Парижа.

1.3 Вычислительные машины

Вычислительную машину, с помощью которой можно было складывать, умножать и делить, изобрел знаменитый немецкий математик и философ Г. Лейбниц. В 1673 г. он представил ее в Академию наук в Париже.

Немало вычислительных приборов было создано в России — М. В. Ломоносовьм, Е. Г. Кузнецовым (верстметр), Е. Якобсоном (девятиразрядная суммирующая машина) и др. Последний был механиком из Несвижа Минского воеводства. Его машина, датируемая не позднее 1770 г., хранится в музее им. М. В. Ломоцосова в Санкт-Петербурге^[4].

Конечно, первые машины были несовершенны. Дороговизна изготовления, частые поломки и сложность устройства препятствовали их широкому практическому применению. Они выпускались в одном или нескольких экземплярах.

Массовое производство вычислительных машин впервые организовал К. Томас — основатель и руководитель двух парижских страховых обществ. В 1820 г. он построил вычислительную машину, в которой был использован принцип работы ступенчатого валика в машине Лейбница, и начал ее изготовление на рынок. Постепенно Томас совершенствовал свои машины. Так было положено начало счетному машиностроению.

Изучив счетную машину Томаса, инженер Петербургской государственной экспедиции бумаг В. Т. Однер в 1873 г, построил знаменитый арифмометр. В 1896 г. на Нижегородской выставке эта машина была удостоена серебряной медали, а в 1900 г. на Всемирной выставке в Париже — золотой медали. Через три года на выставке в Чикаго она вновь отмечается высшей наградой. В России впервые в мире было организовано ее фабричное производство. Конструкция оказалась настолько удачной, что она по существу не менялась более 100 лет.

Впоследствии в конструировании и совершенствовании арифмометров принимали участие многие ученые, в том числе и выдающийся русский ученый П. Л. Чебышев. В 1878 г. он сконструировал и построил оригинальную машину для выполнения сложения, а в 1882 г. — первую автоматическую вычислительную машину, принцип работы которой долгое время применялся в большинстве механических машин. Модель счетной машины Чебышева экспонировалась в 1913 г. на Всемирной выставке в Париже. В настоящее время она хранится в Парижском музее.

Появилось несколько типов вычислительных машин, в т. ч. клавишные вычислительные машины. Они автоматически складывали, умножали и делили многозначные числа. Некоторые могли извлекать квадратные корни и выполнять другие арифметические операции.

Дальнейшее совершенствование вычислительных машин привело к тому, что их стали соединять с пишущими механизмами. Так появились машины, которые печатали исходные данные и результаты вычислений.

Производительность клавишных машин зависела от того, как быстро человек набирал числа на клавиатуре и нажимал на клавиши. Это одерживало скорость работы машин. Начались поиски ее повышения.

В начале XIX в. англичанин М. Ж. Жаккарт изобрел принцип стандартных картонных прокладок с пробитыми отверстиями, который применил в ткацком деле. Эти прокладки несли на себе информацию, необходимую для управления работой станка. Они явились прототипом перфокарт.

Решающий вклад в развитие вычислительной техники внес английский математик И. Бэббидж (1792—1871 гг.). Он разработал проект вычислительной машины, которая состояла из тех же узлов, что и современные компьютеры. В 1822 г. он построил небольшую рабочую модель аналитической машины, которая состояла из трех основных блоков: "склада" для хранения цифровой информации, "фабрики" для обработки информации и устройства управления.

Однако попытка создания вычислительных машин такого типа окончилась тогда неудачей. Машина была технически сложной, а практической потребности в ней еще не было. Ч. Бэббидж опередил свое время. Его заслуги бесспорны. Он первым разработал принципы организации и создания вычислительных машин с программным управлением, в т. ч. принцип изменения программы вычислений в зависимости от их результатов. Кроме того, большой интерес вызвал и язык машины Бэббиджа, а именно разделение команд на команды пересылки и функциональные, возможность считывания информации, не допуская ее разрушения, и считывания с очисткой запоминающих данных регистра, что все еще представляет интерес для разработчиков современных ЭВМ, и др. Основные идеи, заключенные в конструкции аналитической машины Ч. Бэббиджа, были реализованы значительно позднее.

С аналитической машиной Ч. Бэббиджа связано и зарождение программирования. Именно для нее создавались первые в мире программы. А первой программисткой была леди А. Лавлейс — дочь известного английского поэта Байрона. Она не только производила вычисления на машине Ч. Бэббиджа, но и заложила основы теоретического программирования, написав первый учебник по этому предмету.

Важное теоретическое значение для последующего развития вычислительной техники имела в это время работа Дж. К. Максвелла "Динамическая теория поля" (1864—1865 гг.). В ней давалось точное определение электромагнитного поля. Вскоре Максвелл завершил создание электродинамической картины мира. Началась эра мировой электродинамики, породившая новый период в развитии вычислительной техники.

ГЛАВА 2 КОМПЬЮТЕРНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ И ЭЛЕКТРОННЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

2.1 Электронный период

Электромеханический период был связан с применением электроэнергии в конструкциях счетных механизмов.

Машины электромеханического принципа действия характеризуются наличием электроаппаратуры, посредством которой работают все их механизмы. Разновидностью таких машин явились электромагнитные машины, в т.ч. релейные. В электромеханических машинах, как и в механических, основными физическими элементами были рычаги, колеса, валики, шестерен, а в релейных — 'электромагниты, реле, контактные устройства и т.д.

Электрический ток стал применяться также для расшифровки информации, нанесенной на перфокарты, в машине, построенной в 1890 г. американским инженером, сыном немецкого эмигранта Г. Холлеритом (1860—1929 гг.). Им же была предложена и форма перфокарты. Она соответствовала размеру однодолларовой банкноты, находившейся в обращении в 1890 г., и равнялась 187 мм * 83 мм.

Работая в бюро по переписи населения, Холлерит использовал свою машину для обработки материалов массовых переписей. В 1896 г. он основал фирму по выпуску перфокарт и вычислительных (перфорационных) машин, которая позднее была преобразована в фирму IBM.

Начало XX в. было отмечено бурным развитием электротехники. Немалый вклад в нее внесли ученые США (Д. Пауэрс сконструировал автоматический карточный перфоратор; В. Буш — дифференциальный анализатор, т.е. первую аналоговую вычислительную машину, способную моделировать системы дифференциальных уровней; Д. Штибиц — машину, основанную на двоичной системе счисления, и др.), Германии (К. Зюс, независимо от Д. Штибица, создал такую же машину; К. Цуге — универсальную цифровую вычислительную машину с программным управлением, и др.), России (А.Н.Крылов построил первый в мире дифференциальный анализатор непрерывного действия). В это же время появились выполненные Г.Эдисоном описание явления электронной эмиссии и А Тьюрингом — схемы абстрактной машины, а также разработанные К.Шенноном основные положения алгебры высказываний. Начинался новый период в истории вычислительной техники — электронный^[5].

Электронный период был ознаменован, прежде всего, созданием в 1946 г. первой в мире ЭВМ "Эниак" (Electronics Numerical Integrator and Computer)'. Ее построили ученые Пенсильванского университета (США). Она весила 30 т., занимала площадь, равную гаражу на два автомобиля, состояла из 18 тыс. вакуумных трубок, 1,5 тысячи реле и стоила по ценам того времени почти 2,8 млн. долларов. За одну секунду машина выполняла более 300 умножений многозначных чисел или 5,000 сложений.

Эниак показала большие возможности, хотя и была громоздкой, этаким "монстром с непонятным характером", по сообщениям американской печати, и потребляла мощность в 150 квт, достаточную для работы нескольких сотен современных компактных компьютеров. Ныне машина Эниак находится в одном из музеев США.

Анализ сильных и слабых сторон Эниак позволил американскому математику Дж. фон Нейману сформулировать основные принципы ЭВМ:

• использование двоичной системы,
• иерархическая организация памяти,
• наличие арифметического устройства на основе схем, реализующих операцию сложения;
• хранение программы, как и чисел, в памяти машины.

2.2 Компьютерная революция" в мире и поколения ПК

Появление Эниак отвечало потребностям растущей информатизации общества. Имеется в виду, прежде всего, увеличение темпов роста общей суммы знаний. Если до XIX в. она удваивалась каждые 50 лет, то с середины XX в. — каждые 5 лет, а после 1990 г. — на протяжении года;

Далее, это абсолютный и относительный рост численности специалистов, занятых сбором, обработкой и передачей информации. Если в 1870 г., когда был уже известен проект машины И. Бэббиджа, они составляли менее 5% трудоспособного населения США, то в 40-х гг. XX в. — около 30%.

Изучение функционирования электронных вычислительных средств, наряду с достижениями математики, информатики и физиологии нервной деятельности, в условиях растущих потребностей информационного обслуживания общества привели к возникновению кибернетики — науки об управлении в технических устройствах, живых организмах и человеческих организациях. Ее основные идеи и принципы были сформулированы в работе американского математика Н. Винера "Кибернетика или управление и связь в животном и машине", вышедшей в 1948 г. .

Все это предопределило "компьютерную революцию" в мире. Росло не только количество ЭВМ (только в США в 1954 г. их насчитывалось 100, в 1974 — 215 тыс., в 1994 — более 30 млн.), но и заметно изменялись их качественные характеристики: увеличивались быстрота действия и объем оперативной памяти, повышалась степень интеграции элементов, улучшались внешние устройства и архитектура ЭВМ. совершенствовались методы их использования. Происходила смена поколений ЭВМ — совокупности их типов и моделей, созданных на основе одних и тех же научных и технических принципов.

Машины первого поколения (вторая половина 40-х — середина 50-х гг.), работавшие на электронных лампах, были очень больших размеров и могли выполнять небольшое количество элементарных операций. В бывшем СССР — это ЭВМ, созданные под руководством академика С. А. Лебедева, и прежде всего БЭСМ-1 — самая быстродействующая в то время машина в Европе; в Беларуси, на Минском заводе ЭВМ им. Г.К. Орджоникидзе, — серийная Минск-22 и др.

Основными пользователями первых ЭВМ были инженеры-программисты, занимавшиеся сложными расчетами, а также ученые, работавшие в различных областях физики, и др. Программу выполнения действий и данные пробивали вручную на перфоленте или перфокартах, посредством которых эти сведения вводились в ЭВМ. Затем производили "отладку", в процессе которой выявлялись ошибки и перебивались перфокарты. Этот процесс тянулся неделями и месяцами. Когда все было выверено, машина за несколько минут выдавала результат счета.

Машины второго поколения (конец 50-х — первая половина 60-х гг.), работавшие на транзисторах, были меньших размеров, более надежны в работе и могли выполнять до миллиона операций в секунду. Среди них — СТРЕЧ (США), АТЛАС (Англия), БЭСМ-6 (Россия); "Минск-32" (Беларусь) и др. БЭСМ-6 поставлялась на экспорт и оказалась "долгожительницей". Корректировку и выполнение программ на них производили операторы ЭВМ.

Машины третьего поколения (вторая половина 60-х — 70-е гг.) уже были собраны на интегральных схемах. Это машины IBM-360 (фирмы International Business Mashine Corporation, США), а среди отечественных — серии ЕС (единой системы). Их мощность позволяли решать не только вычислительные, но и экономические задачи, когда приходилось вводить и выводить огромные объемы данных. Только на этих машинах стало возможным эффективно обрабатывать и нечисловую информацию, т.е. вести поиск, работать в режиме "вопрос-ответ", реализующем человеко-машинный диалог. Многопрограммный режим работы в сочетании с режимом разделения времени обеспечил взаимодействие таких машин с автоматизированными классами, оснащенными алфавитно-цифровыми дисплеями. А поскольку за различными дисплеями могли решаться различные задачи, программисты вновь получили доступ к машинам.

Машины четвертого поколения (с 80-х гг.) в качестве элементной базы имели большие и сверхбольшие интегральные схемы (ILLIAC-4, ЕС-1060, 1065; "Эльбрус"-1,2 и др.). Их рекордная продуктивность (у ILLIAC-4 до 200 млн. операций в сек.) обеспечивала решение целого круга больших задач. ЭВМ стали объединяться в многомашинные комплексы и сети с использованием для этой цели телефонной кабельной и спутниковой связи. Тем самым пользователь получил доступ к различной информации большого объема.

С другой стороны, успехи микроэлектроники привели к "новой революции" — микрокомпьютерной. Появились персональные компьютеры (ПК) — небольшие по размерам универсальные ЭВМ, предназначенные для индивидуального пользования и, в ряде случаев,

не уступающие по своим характеристикам большим ЭВМ.

Отцом микроЭВМ по праву считается американский инженер С. Джобс. Свою первую машину он построил вместе с С. Возняком в 1977 г. Она строилась в гараже на средства, вырученные Джобсом от продажи своего личного автомобиля "Фольксваген"^[6].

Профессиональная карьера С. Джобса началась с момента основания им фирмы APPLE. Сразу же возникли и непредвиденные проблемы. Обнаружилось, что такое же название и очень похожий фирменный знак имеет рок-группа "Битлз". Возникла путаница, приведшая к судебным разбирательствам. Хотя они и стали неотъемлемой частью жизни Джобса, ему все же сопутствовала удача. Популярность разработанных его фирмой микрокомпьютеров Apple — Macintosh и Lisa — с каждым годом росла, и в первую очередь среди студентов, преподавателей и научных сотрудников американских университетов.

И все же начало эпохи персональных компьютеров связано фирмой IBM. В 1981 г. она выпустила свой первый компьютер ЮМ РС (Personal Computer — персональный компьютер). Затем стала выпускать более современную модель на основе микропроцессора Intel 808i которая была названа ЮМ PC XT (буквы XT взяты из слова еХТга). 1984 г. она выпустила новую модель на основе Intel 80286 — IBM-28( которая стала называться ЮМ PC AT (Advanced Technology — передовая технология). IBM AT, хотя и была совместима аппаратно и программно с IBM XT, превосходила последнюю по производительности более чем в 10 раз и была способна хранить значительно больший объем информации.

Вскоре на рынке появились компьютеры, совместимые с IBM AT, но с торговой маркой других фирм. Среди них оказались и отечественные ПК, в т.ч. ЕС-1840. 1841. 1842, 1849 и др^[7].

Во второй половине 80-х гг. были выпущены новые модели:

IBM-386, способная реализовать сложные программы автоматизированного проектирования и искусственного интеллекта; PS/2 (Personal Sistem/2), аналогичная XT и AT; IBM-486, производительность которой была в 2-3 раза больше, чем у IBM-386. В 1994 г. появился Pentium (IBM- 586). Благодаря ему в Лондоне наконец-то удалось обыграть чемпиона мира по шахматам Гари Каспарова. А на горизонте уже предвиделись новые "гуманизированные" компьютеры — не просто более мощные, а и более компактные, удобные и безопасные.

На пути к пятому поколению происходит поиск ЭВМ с высоким показателем отношения производительности машин к их себестоимости. При этом немалые надежды возлагаются на микроэлектронику с большой степенью интеграции и динамическую топографию. Разрабатываются "биокомпьютеры", реализующие принципы обработки и хранения информации, присущие живым организмам, " нейроком-пьютеры" — системы нечисловой информационно-логической обработки, различные ассоциативные запоминающие устройства. Мощная волна "микрокомпьютерной" революции приводит к быстрому решению и этих задач.

ГЛАВА 3 КОМПЬЮТЕРЫ БУДУЩЕГО

Возможный, но пока далекий от повседневной жизни пример устройства с невероятно высокой скоростью работы — это суперкомпьютеры. Однако существующие суперкомпьютеры (например, отечественный «Ломоносов») нельзя назвать портативными: часто они занимают несколько комнат.

Эти вычислительные машины используются, например, для расшифровки ДНК или для предсказания погоды, то есть для решения задач, в которых требуется обрабатывать большое количество данных.

Мечта же обычных пользователей — это относительно компактное устройство, работающее со скоростью суперкомпьютера.

Первый, самый простой способ увеличить скорость работы любого прибора — увеличить количество электронных компонентов, например транзисторов, последовательность которых выполняет элементарные операции. Однако это путь экстенсивный: скорость будет расти, но вместе с этим энергопотребление новых телефонов и компьютеров также увеличится. Такое развитие мы и наблюдаем сегодня — достаточно сравнить, например, время жизни без зарядки своего старого телефона и сегодняшнего смартфона. Такой способ развития был описан американским ученым, одним из основателей компании Intel Гордоном Муром в сформулированном им законе. Исследователь заметил, что каждый год появляются новые модели микросхем и количество транзисторов на них увеличивается вдвое. Так, в середине 1960-х годов он предсказал экспоненциальный рост скорости электронных устройств за короткий промежуток времени. Позже Мур подкорректировал собственный закон, по его мнению, двойное увеличение транзисторов будет происходить каждые два года.

Помимо количественного способа существует и качественный. Для скорости работы устройства важна скорость передачи данных внутри него. Информация передается в виде сигнала с различными значениями напряжения. Некоторые участки этого сигнала соответствуют единице привычного нам двоичного кода. От максимального количества нулей и единиц, которыми процессор может оперировать в течение секунды, и зависит производительность.

Наконец, производительность зависит от времени доступа к динамической памяти. На жестких дисках мы храним информацию в статической (долговременной) памяти, операции с которой являются довольно медленными относительно тактовой частоты процессора. Однако нам не нужны одновременно сразу все данные, которые есть в памяти наших устройств. То, что нам нужно здесь и сейчас, должно храниться в динамической памяти и доставаться именно оттуда.

Работа с этой динамической памятью, которая гораздо дороже и требует определенных энергозатрат, тоже ограничивает скорость гаджета.

Новый взгляд на электрон

На сегодняшний день информация в процессорах, будь то смартфон или суперкомпьютер, переносится с помощью электронов. Электроны, в свою очередь, обладают собственным магнитным моментом, или спином. И хотя открыли спин еще в начале ХХ века, эффективное использование спиновых эффектов в процессорах стало возможно только после 1988 года, когда был открыт гигантский магниторезистивный эффект. Он и дал толчок развитию технологий, использующих спин для переноса информации, именуемых спинтроникой. Суть этого квантового эффекта заключается в следующем: если создать структуру с тонкими чередующимися ферромагнитными и непроводящими слоями, то сопротивление такой структуры сильно зависит от направлений намагниченности ферромагнитных слоев. Эту намагниченность можно менять с помощью внешних факторов, например внешнего магнитного поля. Состояния с различным сопротивлением как раз и служат логическими нулем и единицей. На этом эффекте основана работа головки жесткого диска в современных компьютерах.

Но спинтроника для переноса информации или создания ячейки памяти использует не только ток. В качестве носителя могут рассматриваться также различные частицы или квазичастицы — например, скирмионы. Это такие области намагниченности, в которых спины отдельных атомов как бы закручены в определенном направлении. Такие структуры обладают устойчивостью и, как полагают, дадут в дальнейшем возможность создать память, плотность хранения информации в которой будет намного выше, чем в современной. Изучением таких структур, в частности, активно занимается в России группа ученых из МФТИ.

Со скоростью света

Отдельно стоит рассказать о передаче информации посредством световых импульсов. Их изучает отдельная область физики — фотоника. Ведущие компании полупроводниковой индустрии, такие как IBM, Oracle, Intel, HP, считают ее перспективной и инвестируют в фотонику миллиарды долларов, причем некоторые успехи уже достигнуты. В 2015 году IBM представила гибридный чип, в котором присутствовали фотонные элементы. А все потому, что замена части электронных элементов фотонными может ускорить компьютеры в десятки тысяч раз, не изменяя структуры самого процессора. Дело в том, что быстродействие многоядерных компьютеров определяется не столько тактовой частотой одного ядра, сколько скоростью обмена данными между ядрами. Между тем электрические медные межсоединения в микропроцессорах фундаментально ограничены по пропускной способности.

В ближайшем будущем именно они станут «бутылочным горлышком», не позволяющим линейно наращивать производительность.

Поэтому перед физикой и стоит задача создания принципиально новых межсоединений для ядер — например, на основе света. Оптическая линия передачи в десятки тысяч раз быстрее медной, и ее пропускной способности хватит надолго. Но главной проблемой таких соединений станет размер. Длина волны света в инфракрасном диапазоне составляет примерно микрон, а это значит, что и размеры фотонных элементов будут как минимум составлять единицы-десятки микронов. В реалиях гонки за энергоэффективность и борьбы с паразитным теплом — это большая проблема.

Обойти дифракционный предел помогает плазмоника. Вдоль границы раздела металла и диэлектрика может распространяться электромагнитная волна, возбуждаемая фотонами, которая и называется поверхностным плазмон-поляритоном. И если размер фотона и есть тот самый микрон, то уже сегодня ученые создают плазмонные волноводы шириной в 100 нм. Но для успешной интеграции плазмоники в современную электронику необходимо, кроме всего прочего, сделать ее коммерчески привлекательной.

До недавнего времени считалось, что плазмонные компоненты можно создавать только из золота и серебра, так как другие металлы намного менее энергоэффективны. Но проблема этих благородных металлов в несовместимости с современными методами литографии, т.е. наносить на плату объекты, содержащие золотые или серебряные компоненты, очень дорого. Однако ученые из МФТИ предсказывают «медную революцию», предсказав особое состояние меди, в котором она имеет сравнимую с золотом проводимость. Медь уже давно используется в производственном цикле микросхем, и нанесение медных плазмонных элементов на плату не требует каких-то дорогих модернизаций существующего процесса.

Квантовый компьютер

Отдельным направлением исследований современных ученых являются квантовые компьютеры. От обычных компьютеров они отличаются устройством памяти. В то время как ячейка обычной памяти хранит либо ноль, либо единицу, кубит (ячейка памяти квантового компьютера) при попытке считать его состояние оказывается с разными вероятностями либо нулем, либо единицей, находясь «между» этими состояниями до момента обращения, но не принимая ни одного из них. Таким образом, можно параллельно работать сразу со всеми возможными состояниями системы из группы кубитов, что и дает выигрыш в скорости вычислений.

Из-за этого вычислительная мощность квантового компьютера растет экспоненциально.

На сегодняшний день уже несколько групп ученых создали прототипы элементарных ячеек памяти, кубитов. В 2013 году немецкая группа ученых сообщила о кубите, хранящем свое состояние при комнатной температуре около 39 минут. В 2015 году группа российских ученых из Российского квантового центра, МФТИ, МИСиС и ИФТТ РАН создала свой кубит, а в 2016 году в МФТИ была создана первая российская двухкубитная система. Иначе говоря, прогресс в этой сфере двигается семимильными шагами, в том числе и в нашей стране.

Но и в применении квантовых компьютеров есть нюансы. В силу своих особенностей квантовый компьютер может решать только определенный класс задач. Он не заменит домашний ноутбук или смартфон, но некоторые сферы он поменяет полностью. В первую очередь «пострадают» криптография и передача данных. Хоть абсолютно устойчивые к взлому криптографические схемы существуют уже давно, их использовать дорого и неудобно. Обычно в коммерческих целях используются так называемые вычислительно-стойкие схемы. Для их взлома необходимо решить задачу большой вычислительной сложности, которая на практике нерешаема за разумный промежуток времени. Но на вычислительные мощности квантового компьютера такие схемы не рассчитаны. С передачей данных все обстоит немного по-другому. Квантовый сигнал нельзя перехватить так, чтобы адресат не узнал о том, что сигнал перехвачен. Дело в том, что в случае «без прослушки» адресату информация приходит в виде носителя с неопределенным состоянием, по аналогии с кубитом. При прослушке, чтобы расшифровать сигнал, нужно измерить состояния носителей, после этого носители будут находиться только в каком-то одном из возможных состояний. Поясним на примере: допустим, существует система, которая при попытке узнать ее состояние окажется с вероятностью 50% в состоянии А и с вероятностью 50% в состоянии Б. Пускай после измерения состояния она оказалась в состоянии А. При дальнейших измерениях мы всегда будем получать результат, что она находится в состоянии А. При этом важную роль играет так называемый «принцип невозможности клонирования», который запрещает создание точной копии квантового состояния без нарушения состояния оригинала.

Когда будут получены квантовые компьютеры достаточных вычислительных мощностей, непонятно, но это направление — одно из самых бурно развивающихся в современной физике.

Биомолекулы

Еще со времен опытов Гальвани по воздействию электричества на лягушачьи лапки взаимодействие электричества и биологических тканей является широко обсуждаемой в научном мире темой. Эти простые опыты послужили отправной точкой для настоящего прорыва понимания механизма проведения сигнала по нервной ткани в 60-х годах прошлого века. Теория, построенная тогда, до сих пор является самой точной во всей биофизике. К этому моменту электроника была очень развитой наукой, поэтому только зародившаяся наука биоэлектроника изучала возможности присоединения уже известных электронных устройств к биологическим тканям. Так появились кардиостимуляторы, измерители уровня глюкозы и нейроинтерфейсы для управления протезами, которые спасают и облегчают жизнь миллионам больных. Но в последнее время очень быстрое развитие молекулярной биологии показало, что электронике есть чему поучиться у живых организмов. Так началась эра биомолекулярной электроники.

Главная ее черта — переход с металлических проводов и кремниевых полупроводников на органические вещества, которые заметно лучше взаимодействуют с живыми организмами.

Например, уже сейчас чувствительность биосенсоров возросла на порядок. К тому же такие биосенсоры могут «питаться» растворенной в человеческой крови глюкозой, в отличие от кардиостимуляторов, которым требуется периодическая замена батарейки. Но переход на органические вещества помимо улучшения уже существующих технологий открывает и принципиально новые возможности.

Например, группа ученых из Гарварда создала управляемую током органическую «липучку», при подаче тока белки-нити на поверхности которой распрямляются, а при отключении — сворачиваются. Если поднести друг к другу распрямленные поверхности липучки и отключить ток, они свяжутся, как липучка на детских ботинках, только на несколько порядков сильнее. А при желании их разъединить нужно всего лишь снова подать ток. А теоретики из Массачусетского института технологии показали, что, используя систему из клеточных мембран, похожую на несколько слипшихся мыльных пузырьков, на поверхности которых закреплены специальные белки, которые в зависимости от напряжения на мембране будут переносить ионы с одной стороны на другую, можно проводить вычисления. Поскольку ионов в одном миллилитре воды больше, чем транзисторов в самых мощных компьютерах, на таком «биологическом компьютере» можно будет решать невозможные на данный момент задачи. Например, предсказывать форму белка по гену, который его кодирует. Если бы это было возможно сейчас, то, скорее всего, рак был бы уже в прошлом. Примером уже существующего биокомпьютера является разработка ученых из МФТИ. В ней логические сигналы передаются с помощью взаимодействия наночастиц.

Существует мнение, что биокомпьютеры будут доступны для практических целей заметно раньше, чем более популярные квантовые компьютеры, решая при этом почти тот же круг задач.

Иное будущее

Никто не может знать наверняка, каким будет будущее компьютеров. Одно понятно точно: современная электроника принципиально устарела, и рано или поздно придется делать переход на что-то новое. Крупные компании вроде Intel и IBM инвестируют в самые разные направления, многообещающие результаты получают ученые изо всех научных сфер, связанных с альтернативной электроникой, и по мере приближения человечества к созданию рабочих прототипов этих новых компьютеров начнется увлекательная битва технологий, подобных которой человечество еще не видело.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе совместных исследований России, Германии, Великобритании и Иордании была открыта молекула 3-радиален, способная стать основой для серьезного прорыва в области органической электроники. Новое вещество может быть использовано для следующего поколения солнечных батарей, увеличит быстродействие транзисторов и улучшит характеристики LED и OLED.

Органическая электроника возникла всего два десятилетия назад. В первую очередь органические полупроводники нашли применение в секторе альтернативной энергетики, в частности с использованием солнечной энергии. Полученные по такой технологии панели превзошли аналоги с другой материальной основой по эффективности и долговечности, однако оказались более затратными в производстве. С органическими транзисторами вышла обратная ситуация – элементы получились недорогими и гибкими, но при этом недолговечными и небыстродейственными.

Недавняя работа инженеров из МГУ, УФУ, Института Иордании и ряда дрезденских институтов может стать основой для преодоления ключевых проблем современной органической электроники. В качестве первоначального применения 3-радиален выделяется использование в качестве дополнения к полупроводниковым схемам для увеличения проводимости (и быстродействия) традиционных электронных схем. Причем речь идет об увеличении проводимости в десятки и даже сотни раз. Однако этим потенциал открытия не ограничивается. Ожидается, что в будущем использование 3-радиалена и других молекул позволит создать полноценный органический компьютер, использующий исключительно органические компоненты.

Учитывая успехи в разработке компонентов и технологических баз для фотонных и квантовых компьютеров можно предположить, что очень скоро стандартным вопросом при выборе ПК станет то, какой тип компьютера интересует пользователя: квантовый, фотонный или органический

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акулов О.А. Информатика: учебник / О.А. Акулов, Н.В. Медведев. – М.: Омега-П, 2012. – 270 с.
2. Босова Л.Л., Н.И. Михайлова. – М.: Бином, 2012. – 400 с.
3. Алексеев А.П. Информатика 2007 / А.П. Алексеев. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012. – 608 с.
4. Вьюхин В.В. Информатика и вычислительная техника: учеб. пособие для инженерных специальностей / В.В. Вьюхин; под ред. В.Н. Ларионова. - М.: Дрофа, 2012. – 286 с.
5. Гейн А.Г. Основы информатики и вычислительной техники / А.Г. Гейн. - М.: Просвещение, 2012. – 245 с.
6. Информатика: практикум по технологии работы на компьютере / под ред. Н.В. Макаровой. - 2-е изд. - М.: Финансы и статистика, 2012. – 384 с.
7. Макарова Н.В. Информатика: практикум по технологии работы на компьютере / Н.В. Макарова, С.Н. Рамин. – М.: Академия, 2010. – 384 с.
8. Макарова Н.В. Информатика: учеб. пособие для вузов / Н.В. Макарова, Н.В. Бройдо. – М.: Академия, 2012. – 768 с.
9. Могилев А.В. Информатика: учеб. пособие для вузов / А.В. Могилев, Н.И. Пак, Е.К. Хеннер; под ред. Е.К. Хеннера. - М.: Академия, 2010. – 346 с.
10. Острейковский В.А. Информатика / В.А. Острейковский. М.: Высш. шк., 2010. – 235 с.
11. Угринович Н.Д. Практикум по информатике и информационным технологиям: учеб. пособие для общеобразовательных учреждений / Н.Д. Угринович 2016

1. Гейн А.Г. Основы информатики и вычислительной техники / А.Г. Гейн. - М.: Просвещение, 2012. – с.23 ↑

2. Макарова Н.В. Информатика: практикум по технологии работы на компьютере / Н.В. Макарова, С.Н. Рамин. – М.: Академия, 2010. – с.51 ↑

3. Острейковский В.А. Информатика / В.А. Острейковский. М.: Высш. шк., 2010. – с.65 ↑

4. Могилев А.В. Информатика: учеб. пособие для вузов / А.В. Могилев, Н.И. Пак, Е.К. Хеннер; под ред. Е.К. Хеннера. - М.: Академия, 2010. – с.63 ↑

5. Угринович Н.Д. Практикум по информатике и информационным технологиям: учеб. пособие для общеобразовательных учреждений / Н.Д. Угринович 2016 с.54 ↑

6. Информатика: практикум по технологии работы на компьютере / под ред. Н.В. Макаровой. - 2-е изд. - М.: Финансы и статистика, 2012. – с.52 ↑

7. Вьюхин В.В. Информатика и вычислительная техника: учеб. пособие для инженерных специальностей / В.В. Вьюхин; под ред. В.Н. Ларионова. - М.: Дрофа, 2012. – с.15 ↑