Я познаю мир. Компьютеры и интернет

В своем рассказе А. Азимов попытался проследить триллионы лет истории развития человечества начиная с 2061 года. Именно к этому времени, полагал писатель, вычислительная техника достигнет некого предела.

Все ЭВМ планеты будут объединены в единую вычислительную сеть – Азимов называет ее «Мультивак», – которая станет получать энергию для своего функционирования непо: средственно от Солнца.

И вот два техника, обслуживающие систему, вдруг забеспокоились: «А что будет с «Мультиваком», если светило вдруг погаснет? » Будучи не в состоянии ответить на него сами, они переадресовали вопрос вычислительной системе.

Та на секунду задумалась и выдала ответ: «Информации для разумного ответа недостаточно».

«А почему, собственно, недостаточно?» – удивился физик из Массачусетского технологического института Сет Ллойд. Перебрав все возможные варианты совершенствования вычислительных систем – молекулярные, квантовые, биологические, прочие ЭВМ, – он, в конце концов, пришел к выводу, что компьютер далекого будущего скорее всего превратится в нечто вроде... огненного шара или далее в «черную дыру».

В защиту закона

Не думайте, что исследователь сошел с ума или попросту валяет дурака. Прежде чем обнародовать свои выводы, Ллойд немало времени ломал себе голову над тем, до каких пор будут уменьшаться размеры элементной базы вычислительных устройств и возрастать их быстродействие?

Ныне технологи, как улее говорилось, подошли к тому, что роль микроэлементов в компьютерных схемах начинают выполнять отдельные молекулы, атомы и кванты света. Меньших частиц вещества в природе просто не существует и, стало быть, предел уже на горизонте?

«Однако не будем торопиться с окончательными выводами, – предлагает Ллойд. – Давайте попробуем подойти к проблеме с иной стороны. Важно понимать, что любое вычисление – прежде всего некий физический процесс. Поэтому задачу «о предельном компьютере» следует решать путем рассмотрения основных физических принципов и величин – таких как энергия, температура, объем – определяя всякий раз граничные критерии».

Идеал «предельного компьютера»

Как известно, все логические операции, осуществляемые ЭВМ, основаны на переключении элементов между условными значениями «О» и «1». Им должны соответствовать два устойчивых физических состояния вещества – например, открытое или закрытое состояние транзистора в нынешних полупроводниковых ЭВМ, изменение структуры молекул (в молекулярном компьютере), значения спина атома (в квантовом вычислительном устройстве) и т. д.

Во всех случаях быстродействие ЭВМ определяется скоростью протекания соответствующего физического процесса. Скажем, время переключения транзистора тем меньше, чем выше подвижность электронов в полупроводнике. Времена процессов переключения, как правило, очень малы (до 10~¹⁵ с), но все же конечны.

«С точки зрения квантовой механики, – утверждает Сет Ллойд, – скорость вычислений ограничена доступной энергией». В 1998 году это положение было теоретически доказано его коллегами из того же Массачусетского технологического университета (США) – Норманом Марголусом и Львом Левитиным. Теоретики показали: чем больше энергия компьютера, используемая им для вычислений, тем быстрее он считает. По мнению Ллойда, «предельный компьютер» – устройство, вся энергия которого будет расходоваться только на вычислительный процесс.

Как известно, полная энергия тела задается фундаментальным соотношением, предложенным Альбертом Эйнштейном: Е = тс², где т – масса, с – скорость света в вакууме. Стало быть, если мы возьмем массу гипотетического компьютера условно равной 1 кг, то полная энергия составит 10¹⁷ Дж. Если ее всю использовать для вычислений, то скорость переключения достигла бы порядка 10^–51 с!

Полученное значение существенно меньше так называемого «планковского промежутка времени» (10~⁴⁴ с). Даже с учетом, что на практике никогда не удается достичь теоретических значений того или иного параметра, выходит, что резервы для повышения быстродействия тут еще немалые.

По сравнению с компьютером Ллойда нынешние ЭВМ – просто черепахи: типичный современный компьютер выполняет порядка 10¹² операций в секунду. «Предельный» компьютер способен работать в 10³⁹ раз быстрее.

А если его масса будет не килограмм, а тонна, быстродействие возрастет еще в 1000 раз. В космосе же, куда предлагает переместить суперкомпьютер Айзек Азимов, масса вычислительного устройства вообще может исчисляться многими сотнями тысяч, даже миллионами или миллиардами тонн...

Вселенский разум в энергетическом шаре

Причину медлительности современных ЭВМ Ллойд видит прежде всего в том, что полезную работу в них совершают лишь электроны, перемещающиеся внутри транзисторов. «Что касается основной массы компьютера, то она только препятствует свободному движению носителей заряда, – полагает исследователь. – Единственная ее функция – поддерживать ЭВМ в стабильном состоянии».

Как избавиться от «бесполезной» массы? Надо превратить ее в кванты электромагнитного излучения – фотоны, которые, как известно, но имеют массы покоя (считается, что она равна нулю).

Конечно, такая ЭВМ не может функционировать на нашей планете, где действует сила тяжести. Однако уже Айзек Азимов учитывал это, разместив и «Мультивак», и его потомков в невесомости космического пространства. Более того, он предполагал, что «вселенская разумная машина» со временем будет представлять собой некий энергетический шар, расположенный не в обычном пространстве–времени, к которому привыкли мы, а в пеком многомерном гиперпространстве.

«Тогда вся энергия, запасенная в массе, перейдет в энергию излучения, и компьютер из неподвижного серого ящика превратится и светящийся огненный шар! – вторит фантасту ученый. – Как ни странно, но именно так может выглядеть «предельный» компьютер. Его вычислительная мощность будет огромна: •менее чем за одну наносекунду он сможет решать задачи, на которые у современных ЭВМ ушло бы время, равное жизни Вселенной!»

Есть ли предел памяти?

Заметим, что до сих пор все наши рассуждения касались только быстродействия «идеального» компьютера. А как быть с памятью? Существует ли предел запоминающей способности вычислительных устройств?

В рассказе А. Азимова и с этим не предвидится проблем. «Мультивак» передал все имеющиеся сведения «Микроваку», а тот, в свою очередь, «вселенской разумной машине» в виде шара. И в массе накапливаемых сведений не был забыт и главный вопрос, заданный некогда веселыми техниками: «А что будет, когда ничего не будет? »

«Память компьютера ограничена его энтропией, – утверждает Сет Ллойд, – то есть степенью беспорядка, случайности в системе. В теории информации понятие энтропии – аналог понятия количества информации. Чем более однородна и упорядочена система, тем меньше информации она в себе содержит».