[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.
Сысоев Сергей Сергеевичкандидат физико-математических наук
