پردازش سریع

رایانه‌ها سریع‌تر و سریع‌تر می‌شوند، اما سرعت آنها هنوز به دلیل محدودیت‌های فیزیکی الکترون در حال حرکت در ماده محدود است. چه فناوری هایی برای عبور از این مانع سرعت در حال ظهور هستند؟

دیوید دی وینچنزو در مرکز تحقیقاتی IBM توماس جی واتسون این پاسخ را ارائه می دهد:

“تمام فن آوری های فعلی دستگاه های کامپیوتری در واقع توسط سرعت حرکت الکترون محدود شده اند. این محدودیت بسیار اساسی است، زیرا سریع ترین سرعت ممکن برای انتقال اطلاعات البته سرعت نور است و سرعت یک الکترون در حال حاضر کسری قابل توجهی از جایی که ما به پیشرفت‌های آینده امیدواریم نه در سرعت دستگاه‌های رایانه‌ای بلکه در سرعت محاسبات. در ابتدا ممکن است اینها شبیه به هم به نظر برسند، تا زمانی که متوجه شوید که تعداد عملیات‌های دستگاه کامپیوتری مورد نیاز برای انجام یک محاسبات توسط چیز دیگری تعیین می شود – یعنی یک الگوریتم.

“یک الگوریتم بسیار کارآمد می تواند محاسبات را بسیار سریعتر از یک الگوریتم ناکارآمد انجام دهد، حتی اگر تغییری در سخت افزار کامپیوتر ایجاد نشود. بنابراین بهبود بیشتر در الگوریتم ها مسیری ممکن را برای تداوم سریعتر کردن رایانه ها ارائه می دهد؛ بهره برداری بهتر از عملیات موازی. ، پیش محاسبه بخش هایی از یک مسئله، و سایر ترفندهای مشابه، همه راه های ممکن برای افزایش کارایی محاسبات هستند.

این ایده‌ها ممکن است به نظر ربطی به «محدودیت‌های فیزیکی» نداشته باشند، اما در واقع ما دریافتیم که با در نظر گرفتن برخی از ویژگی‌های مکانیکی کوانتومی دستگاه‌های کامپیوتری آینده، می‌توانیم انواع جدیدی از الگوریتم‌ها را ابداع کنیم. برای محاسبات خاص بسیار کارآمدتر است. ما هنوز در مورد محدودیت‌های نهایی این «الگوریتم‌های کوانتومی» اطلاعات کمی داریم. “

ست لوید، استادیار دپارتمان مهندسی مکانیک در موسسه فناوری ماساچوست، این مرور کلی را تهیه کرده است:

“سرعت کامپیوترها با سرعتی که آنها می‌توانند اطلاعات را از جایی که اکنون هستند به جایی که باید بروند بعدی منتقل کنند و سرعت پردازش اطلاعات پس از رسیدن به اینجا محدود می‌شود. یک کامپیوتر الکترونیکی با حرکت الکترون‌ها به اطراف محاسبه می‌کند. محدودیت‌های فیزیکی حرکت الکترون در ماده تعیین می‌کند که چنین رایانه‌هایی با چه سرعتی می‌توانند کار کنند. با این حال، مهم است که بدانیم اطلاعات می‌توانند در مورد رایانه بسیار سریع‌تر از خود الکترون‌ها حرکت کنند. شلنگ باغبانی را در نظر بگیرید: وقتی شیر آب را باز می‌کنید. چه مدت طول می کشد تا آب از انتهای دیگر خارج شود؟اگر شلنگ خالی باشد، مقدار زمان برابر است با طول شلنگ تقسیم بر سرعتی که آب از آن پایین می ریزد. اگر شیلنگ کامل است، سپس مقدار زمانی که طول می کشد تا آب بیرون بیاید، طول شلنگ تقسیم بر سرعتی است که در آن یک ضربه در شیلنگ منتشر می شود، سرعتی تقریبا برابر با سرعت صوت در آب.

سیم‌ها در یک کامپیوتر الکترونیکی مانند شیلنگ‌های پر هستند: آنها از قبل مملو از الکترون‌ها هستند. سیگنال‌ها با سرعت نور در فلز، تقریباً نصف سرعت نور در خلاء، از سیم‌ها عبور می‌کنند. سوئیچ‌های ترانزیستوری که پردازش اطلاعات را انجام می‌دهند. کامپیوترهای معمولی مانند شیلنگ‌های خالی هستند: هنگامی که آنها سوئیچ می‌کنند، الکترون‌ها باید از یک طرف ترانزیستور به سمت دیگر حرکت کنند. سپس “سرعت ساعت” یک کامپیوتر با حداکثر طولی که سیگنال‌ها باید طی کنند تقسیم بر سرعت محدود می‌شود. نور در سیم‌ها و اندازه ترانزیستورها تقسیم بر سرعت الکترون‌ها در سیلیکون. در رایانه‌های کنونی، این اعداد در حد تریلیونم ثانیه هستند، به‌طور قابل‌توجهی کوتاه‌تر از زمان‌های واقعی ساعت میلیاردم ثانیه. کامپیوتر را می‌توان با کاهش اندازه آن سریع‌تر ساخت.تکنیک‌های بهتر برای کوچک‌سازی سال‌هاست که مهم‌ترین رویکرد برای افزایش سرعت رایانه‌ها بوده و هنوز هم هستند.

“در عمل، اثرات الکترونیکی غیر از سرعت نور و سرعت الکترون ها حداقل در محدود کردن سرعت کامپیوترهای معمولی مهم هستند. سیم ها و ترانزیستورها هر دو دارای ظرفیت خازنی یا C هستند – که ظرفیت آنها را برای ذخیره الکترون ها اندازه گیری می کند – و مقاومت. , R– که میزان مقاومت آنها در برابر جریان جریان را اندازه می‌گیرد. حاصلضرب مقاومت و ظرفیت خازن، RC، مقیاس زمانی مشخصه‌ای را نشان می‌دهد که در طی آن بار در یک دستگاه جریان می‌یابد.

وقتی اجزای یک کامپیوتر کوچکتر می شوند، R بالا می رود و C پایین می آید، به طوری که اطمینان از اینکه هر قطعه کامپیوتر زمان لازم را برای انجام کارهایی که باید انجام دهد، یک عمل متعادل کننده دشوار است. فناوری‌های انجام این عمل متعادل کننده بدون تصادف، تمرکز بسیاری از تحقیقات حاضر است.

← مرکز محاسبات سریع شبیه‌سازان امیرکبیر  →

اینجا کلیک کنید!

همانطور که در بالا ذکر شد، یکی از محدودیت‌های سرعت عملکرد رایانه‌ها توسط اصل انیشتین مشخص شده است که سیگنال‌ها نمی‌توانند سریع‌تر از سرعت نور منتشر شوند. بنابراین برای سریع‌تر کردن رایانه‌ها، اجزای آنها باید کوچک‌تر شوند. در نرخ‌های کوچک‌سازی فعلی، رفتار اجزای رایانه در چند دهه آینده به مقیاس اتمی خواهد رسید. در مقیاس اتمی، سرعت پردازش اطلاعات توسط اصل عدم قطعیت هایزنبرگ محدود شده است. اخیراً محققانی که روی «رایانه‌های کوانتومی» کار می‌کنند، دستگاه‌های منطقی ساده‌ای ساخته‌اند که ذخیره و ذخیره می‌کنند. پردازش اطلاعات روی فوتون‌ها و اتم‌ها.

“اینگونه رایانه‌ها در نهایت با چه سرعتی می‌توانند کار کنند؟ رولف لاندوئر، یکی از همکاران IBM، خاطرنشان می‌کند که برون‌یابی فناوری کنونی به محدودیت‌های “نهایی” آن یک بازی خطرناک است: بسیاری از محدودیت‌های پیشنهادی “نهایی” قبلاً تصویب شده‌اند. بهترین استراتژی برای یافتن محدودیت‌های نهایی در رایانه سرعت این است که منتظر بمانیم و ببینیم چه اتفاقی می‌افتد.”

رابرت آ. سامرز استاد فناوری مهندسی الکترونیک در دانشگاه ایالتی وبر در اوگدن، یوتا است. پاسخ او بیشتر بر وضعیت فعلی فناوری رایانه متمرکز است:

موانع فیزیکی معمولاً محدودیتی را در مورد سرعت پردازش سریعتر موتورهای پردازشگر رایانه با استفاده از فناوری های معمولی ایجاد می کند.

“یک رویکرد از کوچک شدن پیوسته اندازه ردیابی روی ریزتراشه ها استفاده می کند (یعنی اندازه عناصری که می توان روی هر تراشه “کشید”). تراشه سیلیکونی افزایش تراکم ترانزیستور اجازه می دهد تا توابع بیشتر و بیشتری روی یک تراشه ادغام شوند. یک سیم به طول یک فوت تقریباً یک نانوثانیه (میلیاردم ثانیه) تأخیر زمانی ایجاد می کند. اگر داده ها فقط باید چندین سفر داشته باشند میلی متر از یک عملکرد روی یک تراشه به عملکرد دیگر در همان تراشه، زمان تاخیر داده را می توان به پیکوثانیه (تریلیونم ثانیه) کاهش داد.تراشه های با چگالی بالاتر همچنین اجازه می دهند تا داده ها در یک زمان 64 بیت پردازش شوند، برخلاف هشت، 16 یا در بهترین حالت پردازنده 32 بیتی که اکنون در رایانه های شخصی Pentium موجود است.

سازندگان دیگر در حال ادغام چندین مدار پردازشی اضافی و حیاتی به صورت موازی بر روی یک تراشه هستند. این رویه اجازه می دهد تا چندین مرحله از پردازش داده ها به طور همزمان اتفاق بیفتد و دوباره نرخ توان داده را افزایش می دهد. در یک رویکرد بسیار متفاوت دیگر، سازندگان در حال کار بر روی آن هستند. ادغام کل کامپیوتر – از جمله تمام حافظه‌ها، کنترل‌های جانبی، ساعت‌ها و کنترل‌کننده‌ها – بر روی یک قطعه سیلیکونی مربعی سانتی‌متری. این “ابرتراشه” جدید یک کامپیوتر کامل خواهد بود که فقط رابط انسانی ندارد. رایانه‌هایی با اندازه کف دست که قدرتمندتر از بهترین ماشین‌های رومیزی ما هستند که رایج می‌شوند؛ همچنین می‌توانیم انتظار داشته باشیم که قیمت‌ها همچنان کاهش یابد.

یکی دیگر از مواردی که به آن توجه می شود نرم افزاری است که بهتر از قابلیت های ماشین های کنونی استفاده می کند. یک آمار شگفت انگیز این است که در حدود 90 درصد مواقع، جدیدترین رایانه های رومیزی در حالت مجازی 86 اجرا می شوند – یعنی به گونه ای ساخته شده اند که کار کنند. اگر آنها 8086 باستانی بودند، ماشین‌های هشت بیتی – با وجود تمام گذرگاه‌های فانتزی پرسرعت، 32 بیتی و قابلیت گرافیک فوق‌العاده رنگی. این محدودیت به این دلیل رخ می‌دهد که بیشتر نرم‌افزارهای تجاری هنوز برای معماری 8086 نوشته شده‌اند. Windows NT، ویندوز 95 و موارد مشابه، معدود تلاش‌هایی هستند که از رایانه‌های شخصی به عنوان دستگاه‌های 32 بیتی با کارایی بالا استفاده می‌کنند.

در مورد سایر فناوری‌ها، اکثر شرکت‌ها نسبت به امنیت خود بسیار حسادت می‌کنند، و بنابراین دشوار است که بدانیم واقعاً به چه چیزهای جدیدی نگاه می‌شود. فیبر نوری و سیستم‌های نوری رایانه‌ها را در برابر نویز مصون می‌سازند، اما نور دقیقاً با سرعت حرکت می‌کند. همان سرعت پالس های الکترومغناطیسی روی یک سیم است. ممکن است استفاده از سرعت های فاز برای افزایش سرعت انتقال و پردازش داده ها مزایایی داشته باشد. سرعت فاز می تواند بسیار بیشتر از موج حامل میزبان باشد. استفاده از این پدیده می تواند یک پدیده کاملاً جدید را باز کند. فناوری که از دستگاه ها و روش های بسیار متفاوتی برای انتقال و پردازش داده ها استفاده می کند.”

اطلاعات بیشتر در مورد مزایای احتمالی محاسبات نوری از جان اف. والکوپ، مدیر آزمایشگاه سیستم های نوری در بخش مهندسی برق در دانشگاه فناوری تگزاس در لوبوک، تگزاس آمده است:

رایانه های الکترونیکی نه تنها به دلیل سرعت الکترون ها در ماده، بلکه به دلیل افزایش تراکم اتصالات لازم برای اتصال دروازه های الکترونیکی روی ریزتراشه ها محدود می شوند. محاسبات نوری، که در آن اطلاعات عمدتاً توسط فوتون‌ها به جای الکترون‌ها حمل می‌شود. محاسبات نوری، اصولاً می‌تواند منجر به سرعت بسیار بالاتر رایانه شود. پیشرفت‌های زیادی حاصل شده است، و پردازنده‌های سیگنال نوری با موفقیت برای کاربردهایی مانند مصنوعی استفاده شده‌اند. رادارهای دیافراگم، تشخیص الگوی نوری، پردازش تصویر نوری، بهبود اثر انگشت و تحلیلگرهای طیف نوری.

کار اولیه در پردازش سیگنال نوری و محاسبات اساساً ماهیت آنالوگ داشت. با این حال، در دو دهه گذشته تلاش زیادی برای توسعه پردازنده‌های نوری دیجیتال انجام شده است. پیشرفت‌های اصلی حول محور توسعه دستگاه‌ها بوده است. مانند VCSELS (Vertical Cavity Surface-Emitting LaserS) برای ورودی داده، SLM (مدولاتورهای نور فضایی، مانند دستگاه های کریستال مایع و آکوستوپتیک) برای قرار دادن اطلاعات بر روی پرتوهای نور، و APD های پرسرعت (Avalanche Photo-Diodes) )، یا به اصطلاح دستگاه های پیکسل هوشمند، برای خروجی داده.

یکی از مشکلاتی که کامپیوترهای نوری با آن مواجه شده اند، عدم دقت است؛ به عنوان مثال، این دستگاه ها دارای محدودیت های عملی بین هشت تا 11 بیت در عملیات اساسی هستند. تحقیقات اخیر راه هایی را برای رفع این مشکل نشان داده است. الگوریتم های پارتیشن بندی دیجیتال که می توانند شکسته شوند. محصولات ماتریس-بردار به زیرمحصولات با دقت پایین تر، که در پشت سر هم با کدهای تصحیح خطا کار می کنند، می توانند به طور قابل ملاحظه ای دقت عملیات محاسبات نوری را بهبود بخشند.

“دستگاه‌های ذخیره‌سازی داده‌های نوری نیز در توسعه رایانه‌های نوری مهم خواهند بود. فناوری‌هایی که در حال حاضر در حال بررسی هستند شامل CD-ROM‌های نوری پیشرفته و همچنین فناوری‌های حافظه نوری Write/Read/Erase می‌شوند. ذخیره‌سازی داده‌های هولوگرافیک نیز نویدهای زیادی را برای موارد با کیفیت بالا ارائه می‌کند. ذخیره سازی داده های نوری چگالی در رایانه های نوری آینده یا برای سایر برنامه ها، مانند ذخیره سازی داده های آرشیوی.

“بسیاری از مشکلات در توسعه مواد و دستگاه‌های مناسب قبل از اینکه کامپیوترهای نوری دیجیتال در استفاده تجاری گسترده قرار گیرند، باید برطرف شوند. حداقل در کوتاه مدت، کامپیوترهای نوری به احتمال زیاد سیستم‌های نوری/الکترونیکی ترکیبی خواهند بود که از مدارهای الکترونیکی برای پیش پردازش داده‌های ورودی استفاده می‌کنند. برای محاسبات و پس پردازش داده های خروجی برای تصحیح خطا قبل از خروجی نتایج.با این حال، وعده محاسبات تمام نوری همچنان بسیار جذاب است و هدف از توسعه رایانه های نوری همچنان ارزشمند است.