[МУЗЫКА] [МУЗЫКА] Пришло время нам перейти к описанию характеристик вычислительной системы, чтобы мы могли предпочитать одни физические процессы другим. Мы договорились, что вычисление — это всегда физический процесс. Но физические процессы все разные, и нам нужно как-то их уметь сравнивать, чтобы понять, на каком физическом процессе нам лучше организовать свое вычисление. Среди наиболее важных характеристик вычислительных процессов я бы выделил: первое — информационную емкость по Шеннону, сколько у процесса может быть различных состояний. Второе: инертность процесса, скорость смены этих состояний. И чем быстрее процесс может менять состояние, тем быстрее мы получим результат вычислений. И, в-третьих, немножко в стороне, но не последняя по важности характеристика — это универсальность вычислительного процесса. О ней мы поговорим отдельно. Представим себе пастуха, который не умеет считать. Для контроля неизменности количества овец в стаде он использует такое незатейливое вычислительное устройство, как веревка. Утром, когда он выпускает овец из стада, при прохождении каждой овечки, он отматывает один моток. Вторая овечка — второй моток и так далее. Он наматывает веревку на руку, пока проходит его стадо. Вечером, когда овцы возвращаются, при захождении каждой овечки в хлев, он сматывает с руки этот самый моток, и если в конце процесса у него на руке не осталось веревки, значит, ни одна овечка не потерялась. Это классический пример аналоговых вычислений. Мы имеем непрерывную величину — эту длину веревки. И несомненный плюс в том, что мы можем длину веревки увеличивать или уменьшать размер куска откладываемого для каждой из овечек. Но у этих вычислений есть некоторые минусы. Например, наматывая веревку на руку, каждый раз фермер может допускать некоторую небольшую ошибку в зависимости от того, напряжена у него или расслаблена рука, насколько высока влажность воздуха, насколько хорошо растягивается веревка. И при достаточно большом количестве овец в стаде, такая ошибка может накопиться в отдельную овцу — потерянную или лишнюю. Кроме того, с помощью такой веревки можно контролировать количество овец в небольшом стаде, но нельзя умножать числа, делить числа с остатком, то есть универсальность этой веревки, она достаточно невысока. Вычислительный репертуар такой веревки — маленький. Фермер может оцифровать веревку, завязав на ней узелки и откладывая на каждую из овечек не фиксированной длины кусок, а уже узелок. Такая оцифрованная веревка полностью исключает накопление ошибки при подсчете овец. И кроме того, оцифровка существенно увеличивает ее репертуар. Теперь с помощью веревки с узелками можно умножать и даже делить с остатком числа и делать еще много разных операций. Вообще говоря, цифровые вычисления имеют в общем случае больший репертуар, чем аналоговые. И возникает вопрос. А каково устройство с наибольшим репертуаром? И существует ли такое понятие, как наибольший вычислительный репертуар? Об этом мы поговорим чуть позже. Оставив в стороне универсальность, давайте разберемся с первыми двумя характеристиками вычислительных процессов: это с емкостью и скоростью. Эволюция вычислительных устройств, известная нам как поколение ЭВМ, является последовательным подбором все более быстрых и более емких физических процессов, выполняющих вычисление. Инженеры идут по пути миниатюризации базового элемента таких процессов, начиная от достаточно больших и инертных радиоламп и кончая упаковкой огромного количества p-n-переходов в одном сантиметре кристалла кремния. Зачем же нам нужно уменьшать наш базовый элемент? По двум причинам: для того чтобы увеличить емкость вычислителя при снижении энергетических затрат и для того чтобы уменьшить инертность этого базового элемента. Ведь чем элемент меньше, тем меньше его индуктивность, тем быстрее он может переключать состояния. В настоящее время базовым элементом физического процесса является p-n-переход. А современные технологии производства процессоров приближаются к отметке 10 нанометров, что всего в несколько сотен раз больше атома водорода. Понятно, что на этом пути рано или поздно наступит конец, и каждый шаг дается нам все с большим и большим трудом. На отдельном атоме p-n-переход уже не организовать. И получается, что от этой технологии придется отказаться. Кроме того, в таких масштабах уже нельзя пренебрегать квантовыми эффектами. Получается, что переход в следующем поколении к квантовым вычислениям неизбежен.
