§ Быстродействие оптических устройств записи и хранения информации

В настоящее время плотность побитовой записи на оптические диски практически достигла своего теоретического предела, связанного с фундаментальными свойствами дифракции света.

Для формирования матрицы сигналов, предназначенной для голографической записи по методу Фурье голографии, используют пространственные модуляторы света (SLM- модуляторы, см. рис.8А). В настоящее время такие модуляторы построены на основе ЖК (жидкокристаллических) систем либо системы микрозеркал. Разрешение таких модуляторов достигает 12801024 пикселей, что соответствует 1,310⁶ бит информации. Частота смены изображения достигает 1000 раз в секунду. Таким образом, при записи голографическим методом возможно уже в настоящее время достигнуть скорости записи порядка 1 Гбит/с при условии наличия соответствующих регистрирующих материалов и лазеров с достаточной мощностью излучения.

При считывании информации излучение лазера фокусируют в область голограммы и восстановленная объектная волна попадает на устройство детектирования, в качестве которого можно использовать CCD или CMOS матрицы (см. рис.8 Б). Считывание можно осуществлять как импульсным, так и непрерывным лазерным излучением, однако в последнем случае для обеспечения достаточной скорости считывания (1000 в секунду). Длительность его воздействия должна быть не более 1 миллисекунды, что приводит к необходимости использовать достаточно мощные лазеры (1 Вт). Как и в случае записи скорость считывания для матрицы размером 1,310⁶ бит составит около 1 Гбита/с.

Таким образом, голографический метод записи открывает возможность создания оптических дисковых устройств, которые по основным характеристикам (плотность записи, скорость считывания, помехозащищенность и др.) существенно превосходят оптические системы с побитовой записью информации.

ЛЕКЦИЯ 13

Физические пределы компьютерных вычислений

По мнению Курцвейла, в 2020 г.г. мощность суперкомпьютера сравняется с мощностью человеческого мозга. Компьютеры перестанут существовать, как отдельные объекты — они примут нетрадиционную форму и будут встроены в одежду и повседневные предметы. Виртуальная реальность будет вовлекать не только зрение и слух, а все органы чувств.

В 2020е годы специальные устройства будут проектировать изображения прямо в человеческие глаза, создавая эффект виртуальной реальности. Мобильные телефоны, встроенные в одежду, станут посылать звук прямо в ухо. «Виртуальные ассистенты» будут помогать людям во многих повседневных делах. В частности, они смогут производить мгновенный перевод иностранной речи. Маленькие компьютеры, связанные с интернетом, будут всё теснее интегрироваться в повседневную жизнь.

К 2020 году персональные компьютеры достигнут вычислительной мощности человеческого мозга. В 2020х годах в медицинских целях начнут использовать наномашины. В частности, наноботы смогут доставлять питание к клеткам человека и удалять их отходы. Они также произведут детальное сканирование мозга человека, позволяющее понять детали его работы. К концу десятилетия в промышленности станут широко использоваться нанотехнологии, что приведёт к значительному удешевлению производства всех продуктов.

К 2029 году компьютер сможет пройти Тест Тьюринга, доказывая наличие у него разума в человеческом понимании слова. Это будет достигнуто путём компьютерной симуляции мозга человека.

В 2030е годы наномашины будут вставляться прямо в мозг и осуществлять произвольный ввод и вывод сигналов из клеток мозга. Это приведёт к виртуальной реальности «полного погружения», которая не потребует какого-либо дополнительного оборудования.

В 2040е годы человеческое тело сможет принимать любую форму, образуемую большим числом нанороботов. Внутренние органы будут заменены кибернетическими устройствами гораздо лучшего качества.

В 2045 году вся Земля начнёт превращаться в один гигантский компьютер.

Компьютеры - физические системы, поэтому законы физики определяют, что они могут и чего не могут делать. В частности, скорость, с которой физическое устройство может обрабатывать информацию, ограничивается его энергией, объемом максимально обрабатываемой информации и числом степеней свободы, которым оно располагает. С. Ллойд описывает физические пределы вычислений, определяя их через скорость света с, постоянную планка ħ, и гравитационную постоянную G. В качестве примера, Ллойд рассматривает пределы вычислительных мощностей «совершенного ноутбука» с массой в один килограмм ограниченного объемом в один литр.

За последние полвека, количество информации, которую способны обрабатывать компьютеры и скорость, с которой они делают это, удваивается каждые 18 месяцев. Это явление известно как закон Мура. Недавно возникшее разнообразие технологий и интегральные схемы обеспечили экспоненциальный рост мощности информационной вычислений. Но нет никаких особых причин, по которым Закон Мура будет уместен и далее: это закон человеческой изобретательности, а не природы. В определенный момент закон Мура перестанет выполняться.

Экстраполяция текущих экспоненциальных улучшений на два последующих десятилетия приведет к компьютерам, обрабатывающих информацию в масштабе отдельных атомов. Хотя компьютер, который может обрабатывать за 1 такт 10²³ бит (масштаб числа Авогадро), может и показаться неправдоподобным, прототипы квантовых компьютеров для хранения и обработки информации от отдельных атомов уже были представлены.

Существующие квантовые компьютеры могут быть небольшими и простыми, и способны выполнять лишь несколько сотен операций на менее чем десяти квантовых битов, или "кубитов". Но тот факт, что они работают, демонстрирует всем, что в законах физики нет ничего, что запрещало бы создание компьютера в масштабах числа Авогадро.

Сосредоточимся на определении ограничений, которые могут быть наложены законами физики на вычислительные мощности компьютера. На первый взгляд это может показаться бесполезной задачей: поскольку мы не знаем технологий, по которым будут создаваться компьютеры через 1000, 100 или даже 10 лет. Как тогда мы можем определить физические пределы этих технологий?