Александр Харс - Я познаю мир. Компьютеры и интернет

«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».

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~ 15с), 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 = тс 2, где т – масса, с – скорость света в вакууме. Стало быть, если мы возьмем массу гипотетического компьютера условно равной 1 кг, то полная энергия составит 10 17Дж. Если ее всю использовать для вычислений, то скорость переключения достигла бы порядка 10 –51с!

Полученное значение существенно меньше так называемого «планковского промежутка времени» (10~ 44с). 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 10 12операций в секунду. «Предельный» компьютер способен работать в 10 39раз 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...

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!»

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 энтро пией, – 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».

Чему равна энтропия «идеального» или «предельного» компьютера Ллойда?

Во–первых, она зависит от объема компьютера: чем он больше, тем большее число возможных положений в пространстве могут занимать его частицы.

Во–вторых, необходимо знать распределение частиц по энергиям. Поскольку речь идет о светящемся шаре, можно воспользоваться готовым расчетом, выполненным еще лет сто назад Максом Планком при решении задачи о так называемом абсолютно черном теле. Например, 1 дм 3или литр квантов света может хранить около 10 31битов информации – это в 10 20раз больше, чем можно записать на современном 10–гигабайтном жестком диске!

Откуда столь огромная разница?

«Все дело в том, – говорит Ллойд, – что способ, которым в современных компьютерах записывается и хранится информация, чрезвычайно неэкономичен и избыточен. За хранение одного бита отвечает целый магнитный домен – а это миллионы атомов».

Итак, пытаясь выяснить пределы быстродействия и запоминающей способности вычислительного устройства, мы сначала избавились от лишней массы (1 кг), переведя ее в энергию квантов света, а затем постарались запихнуть все это в объем, равный 1 л. В этих условиях температура огненного шара должна достигать миллиарда градусов (!), а излучать он будет уже гамма–кванты.

То есть «предельный» компьютер получается довольно–таки странным... Есть ли ему аналоги в нашем реальном мире?