A jövő számítógépei. Dr. Kovács Lehel István

Átírás

1 A jövő számítógépei Dr. Kovács Lehel István

2 2004-ben a gépek... El fognak férni egy szobában Írógéppel lehet adatokat bevinni Írógépre nyomtatni is tudnak TV képernyőn látni lehet mindent A könnyebb vezérlést egy kormánykerék is segíti majd A FORTRAN mindent megold (RAND Corporation, 1954)

3

4 A valóság 2004-ben... PC-k, Laptopok, NoteBookok, PalmTopok A félvezető technika kezd csődöt mondani Új architektúrákra van szükség

5 A maximum 2004-ben

6 A HP becslése A Hewlett-Packard kutatói a számítógépek várható fejlődését 2047-ig prognosztizálják. Az új számítógépek a már kísérletekkel is igazolt elméletekre és megoldásokra épülnek, de természetesen az elkövetkező közel 40 év alatt olyan elméletek is napvilágot láthatnak, amelyek ma még teljesen ismeretlenek, és újabb forradalom elindítói lehetnek.

7 És még eltelt 10 év őszén Okostelefonok Tablett gépek... És alternatív irányzatok, mert itt a VÉG Miért?

8 Moore-törvény Gordon Moore volt az, aki 1965-ben felfedezte az elektronikai ipar egyik törvényszerűségét: megállapítása szerint minden hónapban megduplázódik az egységnyi integrált áramköri felületre ültethető" tranzisztorok száma.

9 Félvezetők (1) Középiskola, kémia: vezetők, szigetelők, félvezetők (periódusos rendszer) Egy Z rendszámú atom magja kb m sugarú gömbben összpontosul, amelyet m sugarú elektronfelhő vesz körül (Z db. elektron) -> energiasávok

10 Félvezetők (2) Az energiasávok között üres sávok is vannak (félvezetőknél) Processzor -> félvezető (szilícium) Tranzisztorok vannak integrálva a processzoron (lyukak) Ma már tudunk kisebb távolságokra lyukakat fúrni, mint az elektron ívtávolsága (felhőn belül) - > nem fog vezetni -> VÉG

11 Gyors fejlődés (1.) A tároló chipek kapacitása 34 évenként szeresre, míg a logikai (processzor) chipek teljesítménye szeresre nő (tranzisztorok száma, órajel). A becslések szerint 2047-ben egy tároló chip kapacitása - Moore törvényét alkalmazva - 2x10 a 16.-on bit lesz. Ez a tároló kapacitás megegyezik 100 ezer emberi agyéval, míg egy processzorchip teljesítménye 500 millió Pentium Pro processzor teljesítményével lesz egyenlő. A memória és a processzor elfér majd egy 1 cm 3 térfogatban.

12 Gyors fejlődés (2.) 2010-ben az integrált áramkörben egy tranzisztor be- vagy kikapcsoláskor nyolc elektront mozgatott meg egy kapuáramkörben, szemben egy 2000-es tranzisztor 1000 elektronjával. Még 2020 előtt kevesebb mint egy elektron kell egy tranzisztor kapcsolásához. Itt van a CMOS tranzisztorok alapvető fizikai határa, mivel ezek az eszközök nem képesek működni egy elektron törtrészével.

13 Félvezetős processzorok

14 Alternatív irányzatok Elektro-molekuláris számítógépek Molekuláris számítógépek Bio-elektro-molekuláris számítógépek Sejtautomaták DNS-számítógépek Kvantum-számítógépek Optikai vagy fotonikus számítógépek

15 Elektro-molekuláris számítógépek 1970 elején F. L. Carter kezdeményezésére molekulákból álló logikai áramköröket hoztak létre.

16 Moletronika (1) a szilícium méretéből adódó problémák felszámolása (2010 előtt már gyártható) IBM Watson Kutatóközpont: 2001 augusztusában egy szem molekulából álló, működőképes logikai áramkört hoztak létre. Szénalapú nanocsöveket és rács alakú atomi szerkezeteket használva, csupán tíz atom szélességű, egy szilíciumáramkörnél ötszázszor kisebb áramkör lett a végeredmény.

17 Moletronika (2) 2001 októberében Zhenan Bao, Hong Meng, Hendrik Schon, a Bell Labs kutatói nanocsőnél is kisebb, milliomod homokszem-méretű molekuláris tranzisztort állítottak elő. Gyakorlati alkalmazásai: biomedicina: a szervezetbe juttatott miniatűr gépek az inzulinszintet mérik, vagy szívrohamveszélykor adnak le figyelmeztető jelzéseket

18 Hendrik Schon, Zhenan Bao és a molekula

19 Moletronika (3)

20 Molekuláris számítógépek K. Eric Drexler a makromolekulák mechanikai mozgását próbálja kihasználni.

21 Bio-elektro-molekuláris számítógépek Michael Conrad 1985-beli ötlete alapján a biológiai molekulák közötti kölcsönhatásokat fel lehet használni számítási folyamatok elvégzésére.

22 BEM (1) természetes neuronok áramkör

23 BEM (2) Agyműködés megértése Betegségek gyógyítása : a Dél-kaliforniai Egyetem Neurális Technikai Központjának kutatói az agyi hippocampus működését utánzó szilikon csipeket teszteltek.

24 Sejtautomaták A sejtautomaták szervezési, önszervezési képességének felhasználása. Neumann János Roska Tamás (CNN Cellular Neural Network)

25 Roska Tamás

26 Sejt (1) Sejtautomata: az azonos szomszédsági mintázat szerint összekapcsolt, szinkronizáltan működő sejtek (cellák) olyan összessége, ahol az egyes sejtek állapota csak saját és szomszédainak állapotától függ

27 Sejt (2) A legegyszerűbb szabály három sejtre vonatkozik: a második sor tetszőleges elemét a közvetlenül felette lévőtől, az attól jobbra és balra található példányok alakítják. A három sejt nyolcféleképpen fordulhat elő: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

28 Sejt (3)

29 Sejt (4) John Horton Conway a sejtautomata-tervét a minimumig igyekezett egyszerűsíteni. Két állapotot, négy egyszerű szabályt használt, sejtenként nyolc szomszédos cellával, cellánként maximum egy sejttel:

30 Sejt (5) ha egy élő sejtnek kettőnél kevesebb szomszédja van, akkor meghal, ha háromnál több szomszédja van, akkor is meghal, ha egy halott sejtnek (üres cellának) pontosan három szomszédja van, akkor életre kel; máskülönben, az összes többi sejt eredeti állapotában marad.

31 DNS-számítógépek Leonard Adleman 1994-es ötlete alapján a számítási folyamatokat DNS molekulák szintézise és reakciói által is el lehet végezni novemberében készült el az első prototípus.

32 DNS DNS - az élőlények öröklési anyaga, a természet által működésbe hozott, adatfelhalmozásra, és az életet lehetővé tevő mechanizmusok beindítására alkalmas, rendkívül hatékony eszköz.

33 A DNS-spirál Hatalmas mennyiségű információt tárol

34 A DNS-spirál Nukleinsavak, aminósavak, fehérjék

35 Leonard Adleman

36 DNS-szg (1) A DNS dupla spirálja - molekuláris szinten - nagy mennyiségű kódolt információt tartalmaz. A DNS-kombinációk módja kiszámítható, előre jelezhető. Egy kávéskanál milliárd DNS-darabkát tartalmazhat -> processzorok, többmilliárd művelet szimultán elvégzésére képes nanocomputer.

37 DNS-szg (2) Első feladat: utazó ügynök problémája (miként jutunk el a leggyorsabban meghatározott számú városokba, úgy, hogy egy várost csak egyszer érinthetünk? ) DNS: néhány másodperc leforgása alatt generálta az összes lehetséges megoldást (a jó és rossz válaszok elkülönítése egy hétig tartott).

38 DNS-szg (3) HIBA - A természetben a hibák mutációt eredményeznek, az állandó javítások pedig az élő sejtekben történnek. Ezzel szemben, a DNS-alapú számítógépek (egyelőre) képtelenek a hibák korrigálására. A válaszok elemzése rendkívül sok időt vesz igénybe.

39 DNS-szg (4) 2002 márciusában: össze kell állítani egy bulira a meghívottak húszas listáját, azzal a megkötéssel, hogy az összes potenciális vendég kijelenti, csak akkor jelenik meg, ha y nem lesz ott, z viszont igen. A megoldáshoz milliónál több kombinációt kellett átvizsgálni. A DNSszámítógép négy nap kémiai reakció és kódrostálás után - egymást kölcsönösen vonzó/taszító nukleinsavakkal ábrázolva a résztvevőket - adta meg a vendéglistát.

40 DNS-szg (5) 2003 augusztusa: MAYA 3x3 kamra enzimek különböző kombinációival megoldja az X-0 játékot. Ember: egy kamrába rövid DNS szekvenciát tartalmazó oldatot tesz. A gép elemzi, majd válaszol: fluoreszkálással jelez. VERHETETLEN!

41 Kvantum-számítógépek 1978-ban David Deutch (Oxfordi Egyetem) megadta a kvantum számítógépek első modelljét. Richard P. Feynman és Peter Shor munkássága nyomán születtek meg azok az elméleti számítási modellek, amelyek a kvantumfizika lehetőségeit, energiaszintjeit használják ki ban készült el az első prototípus (IBM, MIT, oxfordi egyetem).

42 Kvantum (1) Egy bit: 0 vagy 1 (nem lehet mindkettő) Kvantum-számítógépeknél: a 0 és 1 állapotok két ortogonális vektornak felelnek meg: az egyik 0>, a másik 1> (Dirac-féle jelölés bra - ket. Létezik <0 és <1, így <x y> a skalár szorzat lesz.) qubit (quantum bit) a kvantum-bit

43 Kvantum (2) Egy qubit a 0> vagy 1> állapotban lehet vagy a kvantum-mechanika elvei alapján ezek koherens szuperpozíciójában. Ez a szuperpozíció egy kétdimenziós vektor, a 0> és 1> lineáris kombinációja a c 0 0> + c 1 1> ortogonális bázis fölött, ahol c 0 és c 1 komplex számok (Neumann nyomán): valószínűségi amplitudók, és c c 1 2 = 1.

44 Kvantum (3) A kvantum-folyamatok számításai determinisztikusak, a valószínűségek csak az eredmény kiolvasásakor jönnek be. Ha egy c 0 0> + c 1 1> állapotban lévő qubit egy számítás eredménye, ezt úgy kell értelmezni, hogy a 0> és 1> állapotok is eredmények, amelyeket ugyanabban az időben kaptunk meg.

45 Kvantum (4) Az eredményt kétféleképpen értelmezhetjük: c 0 2 valószínűséggel irreverzibilisen visszavezetjük a 0> vektorra, figyelmen kívül hagyva, hogy 1 is eredmény volt c 1 2 valószínűséggel irreverzibilisen visszavezetjük az 1> vektorra, elfelejtve, hogy 0 is eredmény volt.

46 Példa (1) Legyen egy három qubitből álló regiszterünk, mindegyik qubit egy két dimenziós térben van a { 0> 1>} bázis fölött: c 10 0> + c 11 1> c 20 0> + c 21 1> c 30 0> + c 31 1>

47 Példa (1) folyt. A regiszter egy 8 dimenziós térben van (a 3 d terek tenzoriális szorzata). A tér bázisa 8 állapotvektorból áll: 000>, 001>, 010>, 011>, 100>, 101>, 110>, 111>. A regiszter állapota a fenti vektorok szuperpozíciója:

48 Példa (1) folyt. c > + c > c > + c > c > + c > c > + c >

49 Kvantum (5) A számításokban unitér operátorokat használunk, amelyek komplex elemű mátrixokkal vannak ábrázolva. U-U* = U*-U = I (U* az U konjugáltjának transzponáltja, I az egységmátrix)

50 Példa (2) A regiszterünk a következő állapotok szuperpzíciójában van: i

51 Példa (2) folyt. Alkalmazzuk az utolsó két bitre a köv. operátort: U i i i i

52 Példa (2) folyt. A regiszter a következő szuperpozícióba kerül: 2 i 2 ( )

53 Kvantum (6) A kvantum-számítási folyamatok komplexitása különbözik a hagyományos számítási folyamatokétól. A kvantum-számítógépek az ismert komplexitási hierarchiát eggyel csökkentik. Pl. A faktorizáció exponenciális algoritmus kvantum-gépeken polinomiális lesz. Feltörhető lesz az RSA titkosítás.

54 Kvantum-processzor

55 Processzor (1.) 2009 júliusában a Yale University kutatóinak egy csoportja megalkotta az első elemi szilárd félvezető kvantumprocesszort, ami egy újabb lépést jelent a végső cél, a kvantumszámítógép megépítése felé.

56 Processzor (2.) A Steven Girvin professzor által vezetett csoport két mesterséges atomot avagy qubit-et (kvantum bitet) készített. Bár mindegyik qubit egymilliárd alumínium-atomból áll, úgy működnek, mint egyetlen atom, melynek két különböző energiaállapota van.

57 Optikai vagy fotonikus számítógép Yurii Vlasov fizikus 2007-ben (IBM Watson Research Center, New York) olyan mikroáramkörbe építhető, optikai fénykésleltetőt készített, amely 0,5 nanoszekundumnyi ideig csapdába ejti a fényt. Az átmeneti adattárolónak is használható eszköz kifejlesztésével fontos akadályt hárítottak el az elektronok helyett fotonokkal működő optikai számítógépek megszületéséhez vezető úton.

58 Yurii Vlasov

59 Optikai processzor (1.) Az optikai vagy fotonikus számítógépek a látható fényt vagy infravörös sugarakat használnak majd jeltovábbításra, a manapság alkalmazott elektromosság helyett. Az optikai számítógépek két kategóriáját fejlesztik: a hibrid elektronikus/optikai és a teljesen optikai számítógéprendszereket.

60 Optikai processzor (2.) Az optikai logikai kapu optikai kapcsolóelemei kevesebb mint 1 picosec (pikoszekundum, azaz 10 a 12.-en) kapcsolási idővel dolgoznak. Ezek kb szer gyorsabbak, mint a mai elektronikus számítógépekben használt elektronikus kapcsolók. Az optikai számítógép kutatásokban femtoszekundumos (10 a 15.-en) lézert használnak, amely már kereskedelmi termék.

61 Következtetések A kvantumszámítógépek kínálják elméletileg a legnagyobb számítási teljesítményt, de ezek általános célú számítógépként történő megvalósítása és alkalmazása talán az összes bemutatott változat közül a legtávolabb van. Ennél hamarabb kerülhetnek bevezetésre a biológiai és az optikai számítógépek. Az elkövetkező 50 évben a kutatóknak és fejlesztőknek még rengeteg tanulásra és munkára lesz szükségük, hogy az új elméleteket továbbfejlesszék, és ezeket átültessék a gyakorlatba.

62 Könyvészet omputers.html ml o.htm