Прогрес у розвитку обчислювальної техніки з першого по четверте покоління був пов’язаний з розвитком елементної бази. Перехід до комп’ютерів п’ятого покоління передбачає перехід до нових технологій і архітектури, орієнтованої на створення штучного інтелекту.
У 1982 р. в Японії був заснований комітет з розробки комп’ютерів нових поколінь (ICOT), який визначив такі основні вимоги до комп’ютерів п’ятого покоління:
1) створення розвиненого людино-машинного інтерфейсу (розпізнавання мови, образів);
2) розвиток логічного програмування для створення баз знань і систем штучного інтелекту;
3) створення нових технологій у виробництві надвеликих інтегральних схем;
4) створення архітектури комп’ютерів та обчислювальних комплексів з новими можливостями:
- можливістю взаємодії з ЕОМ за допомогою природної мови, людської мови і графічних зображень;
- здатністю системи навчатися, проводити асоціативну обробку інформації, робити логічні судження, вести «розумну» бесіду з людиною у формі запитань і відповідей;
- здатністю системи «розуміти» вміст бази даних, яка при цьому перетворюється в базу знань, і використовувати ці знання при вирішенні задач.
Ці можливості ЕОМ п’ятого покоління (машини баз знань, універсальні вирішувачі завдань і т.д.) повинні були бути реалізовані апаратно-програмно.
Передбачалося, що до 1991 р. будуть створені принципово нові комп’ютери, орієнтовані на вирішення задач штучного інтелекту. Проте плани створення спеціалізованих «інтелектуальних» комп’ютерів, а тим більше – спроби зробити за допомогою них чергову комп’ютерну революцію поки виявилися нездійсненними. «Японський проект» відчутних результатів так і не приніс.
І хоча технології виробництва мікросхем та обчислювальної техніки далі вдосконалюються, але такий очікуваний перехід до принципово нових технологій комп’ютерів п’ятого покоління ще не відбувся. Проте технологія виробництва мікропроцесорів вже наближається до фундаментальних обмежень. Згідно закону Гордона Мура до 2015-2020 рр. розміри транзистора повинні зменшитися до чотирьох-п’яти атомів.
Розглядаються багато альтернатив. Триває подальший розвиток архітектур комп’ютерів. Інтенсивні розробки ведуться по багатьох напрямах. Особливістю цих архітектур є те, що всі вони засновані не на кремнієвих технологіях. До технологій, які здатні збільшити продуктивність комп’ютерів, слід віднести:
- молекулярні комп’ютери;
- нейрокомп’ютери (біокомп’ютери);
- квантові комп’ютери;
- оптичні комп’ютери.
Коротко розглянемо основні принципи їх побудови.
Молекулярні комп’ютери. Молекулярні комп’ютери – обчислювальні системи, що використовують обчислювальні можливості молекул (переважно органічних). У молекулярних комп’ютерах використовується ідея обчислювальних можливостей розташування атомів в просторі. У багатьох країнах проводяться досліди по синтезу молекул на основі їхнього стереохімічного генетичного коду, здатних змінювати орієнтацію і реагувати на струм, світло і т.п. Вчені фірми Hewlett-Packard і Каліфорнійського університету (UCLA) довели принципову можливість створення молекулярної пам’яті ЕОМ на основі молекул роксана.
Тривають роботи по створенню логічних схем, вузлів та блоків. Згідно оцінок вчених, подібний комп’ютер буде в сотні мільярдів разів більш економічним ніж сучасні мікропроцесори.
ДНК-комп’ютер. ДНК-комп’ютер – обчислювальна система, що використовує обчислювальні можливості молекул ДНК. Функціонування ДНК-комп’ютера схоже з функціонуванням теоретичного пристрою, відомого в інформатиці як машина Тьюрінга.
Особливе місце належить ДНК-процесорам. ДНК-процесори на рівні окремих молекул працюють дуже повільно, але за їх допомогою можна організовувати паралельні обчислення (а це дає перспективи по збільшенню продуктивності). Крім того, споживана потужність таких процесорів дуже мала, тому очевидні переваги над напівпровідниковими технологіями.
Але чим більше вершин графа, тим більше потрібно комп’ютеру ДНК-матеріалу. Було підраховано, що для вирішення завдання обходу не 7 пунктів, а близько 200, маса кількості ДНК, необхідної для подання всіх можливих рішень, перевищить масу нашої планети.
Вчені Колумбійського університету та університету Нью-Мексико повідомили про створення ДНК-комп’ютера, здатного проводити саму точну і швидку діагностику таких вірусів, як вірус західного Нілу, курячого грипу тощо. Вони представили першу інтегральну ДНК-схему із середнім ступенем інтеграції, яка на даний момент є найшвидшим пристроєм такого типу. Винаходу дали назву MAYA-II (Molecular Array of YES and AND logic gates), MAYA-II може грати в складні «хрестики-нулики». Над ходом він думає до 30 хв., але ніколи не програє (MAYA-I, який був створений раніше, вміє грати тільки в прості «хрестики-нулики»).
Нейрокомп’ютери (Біокомп’ютери). Нейрокомп’ютери – це комп’ютери, які складаються з великого числа паралельно працюючих простих обчислювальних елементів (нейронів). Елементи пов’язані між собою, утворюють нейронну мережу (рис. 1). Вони виконують одноманітні обчислювальні дії і не потребують зовнішнього керування. Велике число паралельно працюючих обчислювальних елементів забезпечують високу швидкодію. Архітектура нейрокомп’ютерів інша, ніж у звичайних обчислювальних машин. Мікросхеми близькі за будовою нейронних мереж до людського мозку. Саме звідси і пішла назва.
Рис. 1. Макет нейрокомп’ютера
Ідея створення подібних комп’ютерів базується на основі теорії перцептрона – штучної нейронної мережі, яка здатна вчитися. Перші перцептрони були здатні розпізнавати деякі букви латинського алфавіту. Згодом модель перцептрона була значно вдосконалена. Автором цих ідей був американський нейрофізіолог Ф. Розенблатт. У 1958 р. він запропонував свою модель нейронної мережі та вказав, що структури, які мають властивості мозку і нервової системи, дозволяють отримати цілий ряд переваг, а саме:
більш високу надійність;
паралельність обробки інформаційних потоків;
здатність до навчання та налагодження;
здатність до автоматичної класифікації;
асоціативність.
Звідси й особливості нейрокомп’ютера: він може вчитись, а значить, може виконувати завдання, які звичайному комп’ютеру не під силу; має здатність вирішувати завдання без чіткого алгоритму або з величезними потоками інформації. Тому вже сьогодні нейрокомп’ютери застосовуються на фінансових біржах, де допомагають передбачати коливання курсу валют та акцій. Нейрокомп’ютери, розпізнаючи образи, коректують політ ракет по заданому маршруту.
Типовими представниками таких систем є комп’ютери сімейства Mark фірми «TRW» (перша реалізація перцептрона, розроблена Ф.Розенблаттом, називалася «Mark-I» (рис. 2). Перший нейрокомп’ютер «Mark-I» був продемонстрований в 1958 р. і мав властивість розпізнавати деякі літери англійського алфавіту.
Рис. 2. Френк Розенблатт з моделлю «Mark-I»
Модель «Mark-III» – це робоча станція, яка містить до 15 процесорів сімейства Motorola 68000 з математичними співпроцесорами. Система підтримувала до 65 000 віртуальних процесорних елементів з більш ніж
1 млн. сполук, дозволяла обробляти до 450 000 міжз’єднань в секунду (міжз’єднання – це схема підключення, яка заснована на безпосередньому підключенні одного кабелю до іншого без з’єднувального шнура або перемички).
«Mark-IV» – це однопроцесорний суперкомп’ютер з конвеєрною архітектурою. Він підтримує до 236 000 віртуальних процесорних елементів, що дозволяє обробляти до 5 млн. міжз’єднань в секунду.
Комп’ютери сімейства «Mark» мають загальну програмну оболонку ANSE (Artificial Neural System Environment), що забезпечує програмну сумісність моделей. Іншою цікавою моделлю є нейрокомп’ютер «NETSIM» (створений фірмою Texas Instruments на базі розробок Кембриджського університету) – його продуктивність сягає 450 млн. міжз’єднань в секунду.
Комп’ютери, які складаються з нейроподібних елементів, можуть шукати потрібні рішення за допомогою самопрограмування, на основі відповідності множин вхідних і вихідних даних. В даний час вже створені та використовуються програмні нейропакети, які доводять можливість побудови подібних машин на СВІС. Нейронні мережі можуть бути реалізовані двома шляхами: перший – це програмна модель нейронної мережі, другий – апаратна.
Основними комерційними апаратними виробами на основі нейромережі є і, ймовірно, найближчим часом будуть залишатися нейроВІС. Моделі нейроВІС, які розроблюються в даний час, фірмами «Adaptive Solutions» (США) (оголошена швидкість обробки складає 1,2 млрд. з’єднань в секунду і містить 64 нейрона) і «Hitachi» (Японія) (дозволяє реалізувати схему, яка містить до 576 нейронів). Ці нейроВІС, безперечно, стануть основою нових нейрокомп’ютерів і спеціалізованих багатопроцесорних виробів.
Більшість сьогоднішніх нейрокомп’ютерів являють собою просто персональний комп’ютер або робочу станцію, до складу яких входить додаткова нейроплата (наприклад, комп’ютери серії «FMR» (Fujitsu, Японія)). Такі системи мають можливості для розробки нових алгоритмів та вирішення великого числа прикладних задач методами нейроматематики.
Однак найбільший інтерес представляють спеціалізовані нейрокомп’ютери, які безпосередньо реалізують принципи нейронної мережі.
Квантові комп’ютери. Квантовий комп’ютер – це обчислювальний пристрій, який шляхом виконання квантових алгоритмів використовує при роботі квантово-механічні ефекти.
Основоположником теорії квантових обчислень вважається нобелівський лауреат, один із творців квантової електродинаміки Річард Фейнман з Каліфорнійського технологічного інституту. У 1958 р., моделюючи на комп’ютері квантові процеси, він зрозумів, що для вирішення квантових задач обсяг пам’яті класичного комп’ютера абсолютно недостатній.
Р. Фейнман висловив думку про те, що квантові завдання повинен вирішувати квантовий комп’ютер і запропонував один з варіантів квантового комп’ютера. У 1995 р. американський математик П.Шор переклав для квантового комп’ютера алгоритм обчислення простих множників великих чисел, який використовується в системах шифрування RSA. П.Шор показав, що якщо класичний комп’ютер для знаходження множників числа з 1 000 двійкових знаків повинен зробити 21 000 операцій, то квантовий комп’ютер виконає це за 10 003 операцій.
В основі квантових обчислень лежить атом – найдрібніша одиниця речовини. Квантові обчислення принципово відрізняються від традиційних, так як на атомному рівні в силу вступають закони квантової фізики. Один з них – закон суперпозиції: квант може знаходитися в двох станах одночасно. Зазвичай біт може мати значення або одиницю, або нуль, а квантовий біт (qubit) може бути одиницею і нулем одночасно.
Атом – «зручне» сховище інформаційних бітів: його електрони можуть займати лише обмежене число дискретних енергетичних рівнів. Наприклад, атом високого енергетичного рівня служив би логічною одиницею, а низького – логічним нулем. Очевидним недоліком квантових комп’ютерів є нестабільність атома, оскільки він легко змінює енергетичний рівень в залежності від зовнішніх умов.
Перехід електрона з нижнього енергетичного рівня на більш високий пов’язаний з поглинанням квантом електромагнітної енергії – фотона. При випромінюванні фотона здійснюється зворотний перехід. Такими переходами можна керувати, використовуючи дію електромагнітного поля від атомного або молекулярного генератора (таким чином не буде відбуватись спонтанних переходів з одного рівня на інший).
Найменшою одиницею інформації в такому комп’ютері є (по аналогії зі звичайним комп’ютером) біт – тільки квантовий. Скорочена звана – «кубіт» (qubit (q-bit) – Quantum Bit), може мати велике число станів. «Частинка» збереженої в кубіті «одиниці» («істина») описується комплексним числом, квадрат абсолютної величини якої трактується як ймовірність перебування у відповідному стані. Кількість інформації – 1 кубіт. Причому таких станів у кожному кубіті може бути безліч, і всі вони можуть бути різними – відповідно до законів квантової фізики.
Найважливішою основою квантових обчислень є так званий «заплутаний» (entangled – взаємопов’язаний, взаємозалежний, «переплетений») стан декількох частинок: якщо декілька частинок становлять єдину квантову систему, то вони цілком можуть розлетітися на (теоретично) довільну відстань, не втрачаючи своєї квантової єдності. А це означає, що будь-який вплив на одну з них автоматично змінює стан іншої так само, ніби вона була б поруч.
13 лютого 2007 р. канадська компанія «D-Wave Systems» продемонструвала перший працюючий квантовий комп’ютер «Orion» (раніше відомий як «Trinity»). «Orion» містить 16 кубіт, об’єднаних в єдину систему (квантовий регістр – це ланцюжок кубітів, над якими можна виконувати логічні операції). Одночасно здійснюється понад 65 000 операцій. Розглянемо, що являє собою квантова обчислювальна техніка і яким чином вона працює.
Оптичні комп’ютери. В кінці XX ст. стрімко почали розвиватися такі напрями науки і техніки, як волоконно-оптичний зв’язок, напівпровідникова оптоелектроніка, лазерна техніка. Тому XXI століття називають століттям оптичних технологій.
Ідея побудови оптичного комп’ютера давно цікавить дослідників. Багато пристроїв ЕОМ у своєму складі використовують оптику: сканери, дисплеї, лазерні принтери, оптичні диски CD-ROM і DVD-ROM. Можливості використання світла в обробці інформації практично безмежні. Якщо використовувати світло для передачі даних між чіпами або логічними елементами, то не буде існувати проблеми затримки на міжз’єднаннях, так як передача інформації відбуватиметься із швидкістю світла.
З’явилися і успішно працюють оптоволоконні лінії зв’язку. Залишається створити пристрій обробки інформації з використанням світлових потоків. Здатність світла паралельно поширюватися в просторі дає можливість створювати паралельні пристрої обробки. Це дозволило б на багато порядків прискорити швидкодію ЕОМ.
Щоб використовувати унікальні можливості оптики для обробки інформації, необхідно розробити відповідні технології створення пристроїв генерації, детектування оптичних сигналів, а також оптичних логічних елементів, керованих світлом. Елементарна оптична комірка повинна споживати енергії менше, ніж елемент мікрочіпа, бути інтегрованою у великі масиви і мати можливість зв’язку з великим числом подібних елементів.
Починаючи з середини 1980-х рр., вчені з галузі оптики та опто-електроніки інтенсивно працювали над створенням повністю оптичних комп’ютерів нового покоління. Основою такого комп’ютера повинен був стати оптичний процесор, що використовує елементи, в яких світло управляє світлом. Логічні операції здійснюються в процесі взаємодії світлових хвиль з речовиною.
У 1990 р. в лабораторіях американської фірми «Bell» був створений макет цифрового оптичного пристрою. З його допомогою була продемонстрована можливість виконання цифрових і логічних операцій з високими параметрами швидкодії. Основу процесора оптичного комп’ютера складали двовимірні матриці бістабільних елементів (розмірністю 4×8) на основі напівпровідникових структур. Їх освітлення здійснювалося напівпровідниковим лазером.
У другому поколінні оптичних комп’ютерів використовувалася векторно-матрична логіка. Друге покоління було представлено комп’ютером «DOC-II» (цифровий оптичний комп’ютер).
Потік даних у комп’ютері «DOC-II» випромінювали 64 модульованих лазерних діода (довжина хвилі якого становила 837 нм). Світло від кожного діода відображалося на одну сходинку матричного просторового модулятора, який складається з 64 128 елементів. Наприклад, для пошуку слова «DOC-II» перевірить до 80 000 сторінок тексту за секунду.
Основний недолік оптичного комп’ютера – його компоненти неінтегровані.
Переваги оптичного комп’ютера:
- можливість передачі цілих зображень за один світловий пучок;
- можливість використання абсолютно різних середовищ передачі, зберігання та обробки інформації;
- можливість виконання обробки інформації під час її передачі через оптичну систему, яка реалізує обчислювальне середовище;
- можливість передачі інформації, закодованої оптичним променем, без витрат енергії;
- оптична система не дозволяє перехоплювати інформацію, оскільки нічого не випромінює в навколишнє середовище.
Всі ці переваги оптичний комп’ютер має завдяки тому, що в якості носіїв інформації використовуються не електрони, а фотони.
Компанія «Lenslet» створила перший оптичний процесор (DSP (Digital Signal Processor) EnLight256 (рис. 3). EnLight256 – це гібридний оптичний процесор, але він не повністю оптичний, а містить перетворювачі. Ядро цього процесора – оптичне. Вхідна і вихідна інформація представляється в електронному вигляді.
Ядро складається з 256 лазерів, просторового модулятора світла, набору лінз і приймачів. Така організація дозволяє використовувати найкраще з оптики та електрики.
Рис. 3. Перший оптичний процесор EnLight256
Оптична матриця VMM (Vector-Matrix Multiplication) – ядро процесора – конвертує електричну інформацію в світло, потім проводить необхідні перетворення цієї інформації (обчислювальні операції), направляючи світло через програмовану внутрішню оптику. Світло, яке з’являється на виході, фіксується великою кількістю датчиків і перетворюється назад в електричний сигнал. Комп’ютер на базі EnLight256 здатний обробляти 15 відеоканалів стандарту HDTV в режимі реального часу.
Немає коментарів:
Дописати коментар