Ведение
Вычислительная техника в развитии информатики играет особую роль. Возникновение информатики как научного направления в середине XX столетия связано именно с появлением ЭВМ, ориентированных на хранение и преобразование информации. Появление ЭВМ, их быстрое развитие и внедрение в различные сферы общественной деятельности привело к возникновению нового научно-технического направления, которое называется «вычислительная техника». Специалисты по вычислительной технике разрабатывают новые структуры и принципы работы вычислительных машин, модифицируют и качественно улучшают элементарную базу, на которой строятся компьютеры, создают компьютерные сети и т.п. Работа специалистов по вычислительной технике тесно связана с информатикой. Многие задачи информатики являются основополагающими и для специалистов по вычислительной технике. Поэтому в электронный учебник включена тема о тенденциях и перспективах развития компьютерной техники и информационных технологиях.
Первое, что приходит на ум любому человеку при оценке перспектив развития вычислительной техники, — это обязательное уменьшение размеров компьютеров, неуклонное увеличение их быстродействия и объема памяти.
Легко прогнозировать, что число выпускаемых ЭВМ будет увеличиваться, а сфера их использования — расширяться. Даже непосвященному человеку сейчас понятно, что будущее вычислительной техники тесно связано с глобальными Сетями.
В настоящее время ведется разработка ЭВМ нового поколения, основными особенностями которых будут речевой ввод и вывод информации, а также способность машин к самообучению (интеллектуальность).
В будущем широкое распространение получит виртуальная реальность. Такое представление навевается современными научно-фантастическими фильмами и книгами. Однако намного четче, полнее и многограннее видят эту проблему профессионалы, постоянно занимающиеся разработкой вычислительной техники и новых информационных технологий.
10. Тенденции и перспективы развития компьютерной техники и информационных технологий
Введение
10.1 Тенденции и перспективы развития ЭВМ
10.1.1 Этапы развития ЭВМ
10.1.2 Нейрокомпьютеры и перспективы их развития
10.1.3 Молекулярные компьютеры
10.1.4 Оптические компьютеры
10.1.5 Квантовые компьютеры
10.1.6 Биокомпьютеры
10.2 Перспективы развития информационных технологий
10.2.1. Создание искусственного интеллекта
10.2.2 Использование нанотехнологий
10.1.1 Этапы развития ЭВМ
Первые проекты электронных вычислительных машин появились в конце 30-х – начале 40-х годов 20 века. В истории развития ЭВМ выделяют пять этапов, соответствующих пяти поколениям ЭВМ.
Период машин первого поколения (50-е гг.) начинается с переходом к серийному производству ЭВМ. В них были реализованы основные принципы, предложенные Джоном фон Нейманом. Элементной базой процессоров были электронные вакуумные лампы, а в качестве оперативных запоминающих устройств использовались электронно-лучевые трубки. Это были громоздкие по габаритам машины, занимающие много места и потребляющие много электроэнергии. Они делали несколько тысяч операций в секунду и обладали памятью в несколько тысяч машинных слов. В распоряжении пользователя были все ресурсы машины. Программист писал свою программу в машинных кодах и отлаживал ее за пультом машины, которая на время отладки была полностью в его распоряжении. Использовались эти ЭВМ в основном для научных расчетов. Первой отечественной ЭВМ была МЭСМ (малая электронная счетная машина), разработанная в 1947-1951 гг. под руководством акад. С.А. Лебедева. В 1952 г. была введена в эксплуатацию БЭСМ (большая электронная счетная машина), созданная под руководством С.А. Лебедева. В 1955 г. начался выпуск малой ЭВМ «Урал-1» (руководитель проекта Б.И. Рамеев).
Второе поколение ЭВМ (60-е гг.) называют транзисторно-ферритовым, так как транзисторы (твердые диоды и триоды) заменили электронные лампы в процессорах, а ферритовые (намагничиваемые) сердечники – электронно-лучевые трубки в оперативных запоминающих устройствах. Скорость ЭВМ возросла до сотен тысяч операций в секунду, а память – до десятков тысяч машинных слов. Появилась долговременная память на магнитных лентах. Оперативная память состояла из нескольких «кубов МОЗУ» на ферритовых сердечниках и магнитного барабана. К ЭВМ подключаются внешние устройства. Все это расширило функциональные возможности ЭВМ. Задания для ЭВМ (на перфокартах, перфолентах и магнитных лентах) собирались в пакет, который обрабатывался без перерыва между заданиями. Это позволило более экономно использовать ресурсы машины. Были разработаны первые алгоритмические языки и трансляторы с этих языков, созданы библиотеки стандартных программ. Наиболее широкое применение нашли отечественные ЭВМ, такие, как БЭСМ-4, М-220, «Минск-32».
Третье поколение ЭВМ (70-е гг.) характеризуется появлением в качестве элементной базы процессора интегральных полупроводниковых схем, что привело к дальнейшему увеличению скорости до миллиона операций в секунду и памяти до сотен тысяч слов. Интегральная схема – электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов. За ЭВМ работают несколько пользователей, которые совместно используют ресурсы процессора. Высокое быстродействие позволяет время обслуживания пользователей разбить на кванты, обрабатывая в течение кванта задание каждого, возвращаться к пользователю за такое малое время, что у него за дисплеем создается иллюзия, что он один пользуется ресурсами машины. В период машин третьего поколения была создана Единая Система ЭВМ (ЕС ЭВМ), а также серия мини-ЭВМ СМ ЭВМ. Если раньше ЭВМ использовались в основном для научно-технических расчетов, то в 60-70-е годы первое место стала занимать обработка символьной информации, в основном экономической.
Элементной базой ЭВМ четвертого поколения (80-е гг.) являются большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС, СБИС). Теперь на одном кристалле стали размещаться сотни тысяч транзисторов. Скорость и объем памяти возросли в десятки тысяч раз по сравнению с машинами первого поколения. Наиболее крупным достижением, связанным с применением БИС, стало создание микропроцессоров, а затем на их основе микроЭВМ. Если прежние поколения ЭВМ требовали для своего расположения специальных помещений, системы вентиляции, специального оборудования для электропитания, то требования, предъявляемые к эксплуатации микроЭВМ, ничем не отличаются от условий эксплуатации бытовых электроприборов. При этом они имеют достаточно высокую производительность, экономичны в эксплуатации и дешевы. МикроЭВМ используются в измерительных комплексах, системах числового программного управления, в управляющих системах различного назначения. Дальнейшее развитие микроЭВМ привело к созданию персональных компьютеров, широкое распространение которых началось с 1975 г., когда фирма IBM выпустила свой первый персональный компьютер IBM PC. Персональный компьютер для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности применения должен иметь следующие характеристики:
- малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
- автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
- гибкость архитектуры, обеспечивающую ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;
- «дружественность» программного обеспечения, позволяющая работать с ним пользователю без специальной профессиональной подготовки;
- высокая надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).
Сейчас такие компьютеры (совместимые с IBM PC) составляют около 90% всех производимых в мире персональных компьютеров. Самыми распространенными моделями компьютеров в настоящее время являются IBM PC с микропроцессорами Pentium и Pentium Pro.
В период машин четвертого поколения стали также серийно производиться и суперЭВМ, в которых производительность стала достигать 1 млрд. операций в секунду.
Пятое поколение ЭВМ (90- гг.) – это ЭВМ со многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний. Это ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы.
Технологические, конструкторские, структурные и архитектурные идеи машин пятого поколения принципиально отличаются от машин предшествующих поколений. Прежде всего они отличаются от классической фон-неймановской структуры. Высокая скорость выполнения арифметических вычислений дополняется высокими скоростями логического вывода. Машина состоит из нескольких блоков. Блок общения обеспечивает интерфейс между пользователем и ЭВМ на естественном языке и дисциплина программирования как наука для пользователя перестает в будущем быть актуальной. Важное место в структуре ЭВМ занимает блок, представляющий базу знаний, в котором хранятся знания, накопленные человечеством в различных областях, которые постоянно расширяются и пополняются.
Шестое и последующие поколения – оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. ЭВМ шестого поколения, базирующихся на распределенной нейронной архитектуре, получили название нейрокомпьютеров. В частности, в нейрокомпьютерах могут использоваться уже имеющиеся специализированные сетевые микропроцессоры – транспьютеры. Транспьютер – микропроцессор сети со встроенными средствами связи.
10.1.2 Нейрокомпьютеры и перспективы их развития
Нейрокибернетика – это научное направление, занимающееся изучением организации и функционирования нервной системы живых организмов, которая управляет всеми процессами, протекающими в них, чтобы использовать эти знания при построении технических интеллектуальных систем.
Основная идея нейрокибернетики заключается в следующем: единственный объект, способный мыслить, - это человеческий мозг. Поэтому, любое «мыслящее» устройство должно каким-то образом воспроизводить его структуру.
Таким образом, нейрокибернетика ориентирована на аппаратное моделирование структур, подобных структуре мозга. Физиологами давно установлено, что основой человеческого мозга является большое количество (до 1021) связанных между собой и взаимодействующих нервных клеток – нейронов. Поэтому усилия нейрокибернетики были сосредоточены на создании элементов, аналогичным нейронам, и их объединении в функционирующие системы. ЭВМ, в которых предполагается широко использовать сети из формальных нейронов, получили название нейрокомпьютеров.
Нейрокомпьютер – это ЭВМ, в основе которой лежит не типовая структура, включающая в себя арифметическое устройство, память, устройство ввода-вывода и управляющее между собой, а нейронная сеть, объединяющая все эти функции в своей структуре.
Основная особенность нейрокомпьютеров, отличающая их от ЭВМ, - это сам способ решения задач. Если для решения задач в ЭВМ обычного типа используются программы, то в нейрокомпьютерах решение задачи достигается путем перенастройки сети за счет адаптивных формальных нейронов и специальных процедур самоорганизации сети. В этом нейрокомпьютеры близки к аналоговым вычислительным машинам. Подобно последним, нейрокомпьютеры обладают огромной скоростью работы, недоступной для обычных ЭВМ.
Внедрению нейрокомпьютеров препятствует отсутствие какой-либо теории, позволяющей программировать процессы самоорганизации нейронных сетей таким образом, чтобы в результате этого процесса решалась нужная задача. Предполагается, что методика такого программирования будет найдена в результате активных исследований, которые ведут специалисты, работающие в области нейрокибернетики, а также путем модификации методов, используемых для решения задач в аналоговых машинах и однородных средах.
10.1.3 Молекулярные компьютеры
Недавно компания Hewlett-Packard (HP) объявила о первых успехах в изготовлении компонентов, из которых могут быть построены мощные молекулярные компьютеры. Ученые из HP и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) объявили о том, что им удалось заставить молекулы ротаксана переходить из одного состояния в другое – по существу, это означает создание молекулярного элемента памяти. Ротаксан представляет собой химическое соединение, состоящее из оси (линейной молекулы), продетой в кольцо (циклическую молекулу), при этом утолщения на концах оси служат «стопорами» и не дают конструкции разъединиться.
Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей, способных выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Весь такой компьютер может состоять из слоя проводников, проложенных в одном направлении, слоя молекул ротаксана и слоя проводников, направленных в обратную сторону. Конфигурация компонентов, состоящих из необходимого числа ячеек памяти и логических ключей, создается электронным способом. По оценкам ученых HP, подобный компьютер будет в 100 млрд. раз экономичнее современных микропроцессоров, занимая во много раз меньше места.
Сама идея этих логических элементов не является революционной: кремниевые микросхемы содержат миллиарды таких же. Но преимущества в потребляемой энергии и размерах способны сделать компьютеры вездесущими. Молекулярный компьютер размером с песчинку может содержать миллиарды молекул. А если научиться делать компьютеры не трехслойными, а трехмерными, преодолев ограничения процесса плоской литографии, применяемого для изготовления микропроцессоров сегодня, преимущества станут еще больше.
Первые опыты с молекулярными устройствами еще не гарантируют появления таких компьютеров, однако это именно тот путь, который предначертан всей историей предыдущих достижений. Массовое производство действующего молекулярного компьютера вполне может начаться к 2015 году.