Компьютеры следующего поколения

Размеры вычислительных устройств постоянно уменьшаются. Когда-то предполагалось, что более мощные машины будут требовать больше места для периферийных устройств, памяти и т. д. Это предположение оказалось неверным. В 1965 году Гордон Мур сформулировал действующее и сейчас правило (названное законом Г. Мура), согласно которому производительность вычислительных систем удваивается каждые восемнадцать месяцев [Moore H. // Electronics. 38, 1965, № 8]. Мур вывел свой эмпирический закон, построив зависимость числа транзисторов в интегральной микросхеме от времени (рис. 2.9). Как следствие из этого закона можно вывести темпы миниатюризации отдельного транзистора.

Рис. 2.9. Оригинальная запись закона Гордона Мура, публикация о котором впервые появилась в Electrinics Magazine

Ежегодное уменьшение на 10-30% размеров элементарных вычислительных модулей приведет в ближайшие 5-10 лет к практическому применению устройств с элементарными модулями размером примерно в 100-200 ангстрем (0,01-0,02 мк). Другими словами, быстрое развитие цифровых электронных технологий приводит к тому, что размер элементарного вычислительного устройства приближается к размеру молекулы или даже атома.

На таком уровне законы классической физики перестают работать и начинают действовать квантовые законы, которые для многих важных динамических задач еще не описаны теоретически. Для описания работы таких устройств неприменимы классические объекты и методы информатики. В частности, в силу квантового принципа неопределенности Гейзенберга, в таких микроскопических системах нет аналога понятию "bit".

Вместо двоичных цифр новые устройства будут оперировать с "волновыми функциями" ("квантовыми битами"). В некотором смысле, информатика в своем развитии в недалеком будущем должна будет перейти от "арифметики" к "функциональному анализу". С одной стороны, это обусловливает переосмысление и замену основных классических (неквантовых) алгоритмов, а с другой - дает возможность вплотную подступиться к решению проблем искусственного интеллекта.

В научно-исследовательских лабораториях крупнейших университетов и транснациональных ИТ-компаний рассматриваются несколько возможных основных направлений создания элементной базы нового поколения вычислительных устройств [Граничин О.Н., Молодцов С.Л. Создание гибридных сверхбыстрых компьютеров и системное программирование. СПб., 2006]:

на принципах ядерного магнитного или электронного парамагнитного резонанса;
на атомных ионах, помещенных в ловушки Паули или Пеннинга;
с использованием явления сверхпроводимости;
на квантовых точках в полупроводниковых неорганических системах;
на основе оптической симуляции квантовой логики или на металло-биологической гибридной основе.

Многие из указанных направлений имеют существенные недостатки, которые в некоторых случаях приводят к принципиальной невозможности создания конкурентоспособного вычислительного устройства. Характерным примером является проект корпорации IBM, которая в 1999 году только на первый этап разработки молекулярной элементной базы нового поколения выделила 17 миллиардов долларов на 5 лет. В результате был создан макет, оперирующий с 5 или 7 квантовыми битами и весом около 7 тонн, способный решать только примитивные задачи типа разложения числа 15 на два множителя 5 и 3 [domino.research.ibm.com/comm/pr.nsf/-pages/rsc.quantum.html?Open&printable].

В настоящее время наиболее перспективным направлением разработки элементной базы компьютеров нового поколения представляется использование самоорганизующихся квантовых точек в твердотельных системах, которые могут выполнять функции квантовых битов и быть связанными в квантовый регистр на основе, например, электростатического или магнитного типа взаимодействия.

Информационные технологии (ИТ) являются наиболее важной составляющей процесса использования информационных ресурсов общества. К настоящему времени ИТ прошли несколько эволюционных этапов, смена которых определялась главным образом техническим прогрессом, появлением новых технологических средств поиска и переработки данных. Последний по времени этап, часто называемый новым, характеризуется изменением направленности ИТ с развития технических средств на создание стратегического преимущества в бизнесе.