Развитие компьютерной техники

В 1968 году на одной из конференций Дуглас Энгельбарт из Станфордского института продемонстрировал созданную им систему взаимодействия компьютера с пользователем, состоящую из клавиатуры, указателя "мышь" и графического интерфейса, а также некоторые программы, в частности текстовый процессор и систему гипертекста. В 1964 году появился язык программирования Бейсик (BASIC - Beginner's All-Purpose Symbolic Instruction Code), предназначенный для обучения начинающих программистов. Бейсик обеспечивал быстрый ввод и проверку программ. Бейсик не очень подходил для написания серьезных программ, однако он давал общее представление о программировании и позволял многим далеким от компьютеров людям быстро овладеть основными навыками программирования. В 1970 году щвейцарец Никлас Вирт разработал язык программирования Паскаль, также предназначенный для обучения принципам программирования. Создававшийся как язык для обучения, Паскаль оказался очень удобен для решения многих прикладных задач. Он прекрасно обеспечивал применение методов структурного программирования, что стало необходимо при создании больших программных систем.

Основой для компьютеров третьего поколения послужили интегральные микросхемы, что позволило значительно уменьшить стоимость и размеры компьютеров, началось массовое производство компьютеров. В данный период развития вычислительной техники продолжалось увеличение скорости обработки информации. Компьютеры третьего поколения работали со скоростью до одного миллиона операций в секунду. Появились новые внешние устройства, облегчающие взаимодействие человека с компьютером. Увеличение быстродействия компьютеров и области их применения потребовало разработки новых методов создания программного обеспечения. Появились первые коммерческие операционные системы реального времени, специально разработанные для них языки программирования высокого уровня. Область применения компьютеров третьего поколения необычайно широка: системы обработки данных, управления, проектирования, решения различных коммерческих задач.

 

IV поколение

(с 1972 г. по  настоящее время)

Вы уже знаете, что электромеханические  детали счетных машин уступили место  электронным лампам, которые в  свою очередь уступили место транзисторам, а последние - интегральным схемам. Могло создастся впечатление, что  технические возможности ЭВМ исчерпаны. В самом деле, что же можно еще придумать?

Чтобы получить ответ  на этот вопрос, давайте вернемся к  началу 70-х годов. Именно в это  время была предпринята попытка  выяснить, можно ли на одном кристалле  разместить больше одной интегральной схемы. Оказалось, можно! Развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном-единственном кристалле тысячи интегральных схем. Так, уже в 1980 году, центральный процессор небольшого компьютера оказался возможным разместить на кристалле, площадью всего в четверть квадратного дюйма (1,61 см2). Началась эпоха микрокомпьютеров.

Каково же быстродействие современной  микроЭВМ? Оно в 10 раз превышает  быстродействие ЭВМ третьего поколения  на интегральных схемах, в 1000 раз - быстродействие ЭВМ второго поколения на транзисторах и в 100000 раз - быстродействие ЭВМ первого поколения на электронных лампах.

Далее, почти 40 лет назад  компьютеры типа Юнивак стоили около 2,5 млн. долларов. Сегодня же ЭВМ со значительно большим быстродействием, более широкими возможностями, более высокой надежностью, существенно меньшими габаритами и более простая в эксплуатации стоит примерно 2000 долларов. Каждые 2 года стоимость ЭВМ снижается примерно в 2 раза.

Очень большую роль в  развитии компьютеров сыграли две ныне гигантские фирмы: Microsoft® и Intel®. Первая из них очень сильно повлияла на развитие программного обеспечения для компьютеров, вторая же стала известна благодаря выпускаемым ей лучшим микропроцессорам.

 

Перспективы развития вычислительной техники

В одном из интервью вскоре после получения Нобелевской  премии Жорес Алферов сказал: «Мне по-своему жаль новое поколение. Ведь, если разобраться, уже все открыто. Так что в новом веке вам  будет делать нечего - так, частностями  заниматься».

От этих слов одного из отцов современной полупроводниковой  электроники становится немного  жутко. Значит, предел уже положен  и стена темнеет на горизонте? Через пару десятков лет прогресс человечества будет навсегда остановлен одним из незыблемых постулатов Вселенной. «Как навсегда? -- спросите вы. -- Пройдет сто лет, тысяча, и принципиально ничего не изменится? Ну нет! Не может такого быть!»

Однако, как это ни грустно, там, где действительно  достигнем физических пределов, мы не сможем продвинуться дальше ни на шаг. Мы бессильны перед законами природы, никакие наши приборы и опыты, молитвы и приказы не заставят их отступить ни на йоту. Уже в ближайшие годы святейшая догма мира высоких технологий - закон Мура. В 1965 г соучредитель фирмы Intel Гордон Мур предсказал, что плотность транзисторов в интегральных схемах будет удваиваться каждый год Позднее его прогноз, названный законом Мура, был скорректирован на 18 месяцев. В течение трех последних десятилетий закон Мура выполнялся с замечательной точностью. Не только плотность транзисторов, но и производительность микропроцессоров удваивается каждые полтора года (об удвоении плотности транзисторов в процессорах каждые полтора года) станет просто занимательным историческим фактом. Полупроводниковые технологии отживают свое -- сейчас очевидно, что частоту в 30--40 ГГц они не перешагнут никогда. Бешеная гонка за тактовой частотой заставит нас научиться считать на атомах и молекулах -- это и станет концом эволюции нашей цивилизации. Современная физика жестко и однозначно говорит, что путешествовать к звездам или перемещаться в пространстве с помощью телепортации мы никогда не сможем, если в доступной нам части реальности мы и в самом деле уже открыли абсолютно все.

Квантовый компьютер

В 1982 г. Ричард Фейнман (лауреат Нобелевской премии 1965 г. за работы по квантовой электродинамике) опубликовал статью, в которой поднял очень важную, ранее обойденную вниманием ученых проблему. Прогресс человеческой цивилизации второй половины XX в. целиком связан с успехами в области электроники. С каждым годом процессоры в компьютерах становятся все производительнее (так, плата современных наручных часов является куда более мощным вычислительным устройством, чем созданный в 1946 г. 30-тонный ламповый «Эниак»), а их структурные элементы -- меньше. Но до каких пор сможет продолжаться эта начатая более полувека назад гонка? Пока теоретическим пределом является передача бита информации при помощи одного электрона, локализованного на одном атоме.

На сегодняшний день в десятках научно-исследовательских центров по всему миру ведутся работы по реализации квантового компьютера на базе органических молекул и сверхпроводящих колец, на атомах фосфора, встроенных в кремниевую пластину, и квантовом эффекте Холла, джозефсоновском контакте и мессбауэровских ядрах. И хотя пока успехи впечатляют лишь специалистов, вера людей в победу и их целеустремленность заставляют надеяться -- будущее будет выиграно нами!

Нанотехнологии  и молетроника

Когда говорят о нанотехнологиях, подразумевается несколько достаточно разрозненных по целям и планируемому времени реализации научных направлений. Одно из них, работающее над качественным переходом традиционной полупроводниковой электроники с микро- на наноуровень, хорошо освещено в периодической литературе. Успехи этих работ значительны уже сегодня, но, ввиду неразрешимости ряда проблем, связанных с размерными эффектами, неизбежно возникающими при достижении транзисторами величины 30--40 нм, очевидна необходимость поиска альтернативной технологии. Одним из вариантов является молекулярная электроника, или молетроника.

Если действительно  удастся заменить транзисторы отдельными молекулами, то размер процессора уменьшится в сотни раз. Рост же производительности на несколько порядков позволит выпустить  терагерцевые процессоры, что совершенно невозможно на базе классических кремниевых технологий. Только представьте -- мощный компьютер будет умещаться на кончике волоса! Молекулярные схемы будет возможно организовать по нейроноподобному принципу, что поможет наконец добиться успеха в решении весьма застарелой проблемы «качественного искусственного интеллекта (ИИ)» Молекулярная память также оставит далеко позади свою полупроводниковую конкурентку. По прогнозу ведущего специалиста в области молетроники, американского биохимика Мак-Алира, плотность структурных элементов в таких блоках достигнет тысяч триллионов на каждый кубический миллиметр. А это означает, что на домашних компьютерах можно будет хранить терабайты информации. Еще более перспективно построение блоков белковой памяти, действующей по принципу запоминания, возможно используемому и человеческим мозгом. Вероятно, такой подход позволит реализовать переселение человеческого интеллекта в компьютер. Однако для теоретической разработки этого направления мы пока слишком мало знаем о том, как все-таки работает наш мозг.

Компьютеры на основе ДНК

Весьма оригинальна и имеет  огромные перспективы идея создания вычислительных устройств на базе ДНК. Родоначальником этого направления  является Леонард Адлеман (один из создателей схемы RSA), решивший в 1994 г. с помощью «умных» молекул задачу о коммивояжере. Тогда ДНК-компьютер смог верно найти кратчайший путь для путешествия по семи городам. В этом году был достигнут куда больший успех: детищу Адлемана удалось справиться со сходной задачей, содержащей уже более миллиона вариантов.

Преимущество у ДНК-компьютера такое же, как и у квантового: параллелизм вычислений. То есть многие из не решаемых современными вычислительными  устройствами проблем (по причине экспоненциальной сложности) будут для него полиномиально сложными, а значит, вполне доступными. В будущем проектировать и создавать ДНК-компьютеры начнут непосредственно в живых клетках, что позволит выполнять в них цифровые программы, взаимодействующие с естественными биохимическими процессами.

Конечно, относительно реализации полноценного ДНК-компьютера вопросов пока больше, чем ответов, но стоит прислушаться к миллиардолетнему опыту природы и попытаться воспользоваться подаренным ею невероятным по возможностям инструментом.

Хотя все сказанное похоже на отрывок из фантастического романа, многое из этого уже почти реальность. Первые молекулярные схемы уже существуют, и в текущем десятилетии должно начаться их серийное производство. Первый же полноценный молекулярный компьютер появится, по прогнозам экспертов, в 2015--2020 гг.

Искусственный интеллект (ИИ)

В далеких 40-х Джон фон Нейман, создатель  концепции современного компьютера, был абсолютно уверен, что повышение  тактовой частоты до мегагерц позволит машинам мыслить не хуже человека. Однако шли годы, мощности ЭВМ все возрастали, над проблемой искусственного интеллекта билось все больше народу, создавались специальные языки (Lisp и Prolog) и машинные архитектуры, соответствующие специальности появились во всех университетах, - но научить компьютеры думать так и не удалось.

Список литературы

 

1. Глобальная сеть Интернет (www.ieee.org, www.techno.ru, www.computer-museum.ru, www.mailcom.com/besm6/, www.ibm.com и др.)

2 . Шафрин Ю. Информационные технологии, М., 1998.

3. ИНФОРМАТИКА, М., 1994. (энциклопедический словарь для начинающих)

4. Алтухов Е.В., Рыбалко  Л.А., Савченко В.С. Основы информатики  и вычислительной техники, М., «Высшая школа», 1992.

5. Бордовский Г.А., Исаев Ю.В., Морозов В.В. Информатика в понятиях и терминах, М., 1991.