15651_lecture1_07
реклама
Что такое оптоинформатика? «оптоинформатика» -область науки и техники, связанная с исследованием, разработкой, созданием и эксплуатацией новых материалов, технологий, приборов и устройств, направленных на передачу, прием, обработку, хранение и отображение информации на основе оптических технологий. учебный курс ОПТОИНФОРМАТИКА пути развития информационных технологий: пределы электронной техники и их преодоление на основе оптических альтернатив; основные источники излучения в оптоинформатике: принципы работы полупроводниковых лазеров, лазеры на гетероструктурах, лазеры и усилители на основе квантоворазмерных эффектов, вертикальноизлучающие полупроводниковые лазеры, волоконные лазеры и усилители, планарные лазеры и усилители; передача информации в оптических линиях связи: формирование, распространение, поглощение и дисперсия световых импульсов в волоконно-оптических линиях, спектральное и временное уплотнение информационных потоков, элементная база оптических линий связи, передача оптических сигналов в атмосфере и космосе; учебный курс ОПТОИНФОРМАТИКА оптическая запись, хранение и считывание информации: локальная и распределенная запись информации, CD, DVD и магнитооптические технологии, голографические технологии, регистрирующие среды и механизмы записи, угловое и спектральное кодирование, быстродействие, считывание информации в реальном времени динамическая голография, ассоциативная голографическая память; оптическая обработка информации: аналоговые оптические вычисления, Фурье-голография, голографическая коммутация, мультиплексирование и демультиплексирование сигналов, оптическая би- и мультистабильность, цифровая оптическая обработка сигналов; оптический компьютер: технологии создания и перспективы применения; квантовая криптография и квантовые вычисления: перспективы использования и ограничения; cамообучение и самоорганизация в оптике: голографические системы распознавания образов, оптические нейронные сети, оптические нечеткие и нейро-нечеткие системы; системы искусственного интеллекта: голографическая парадигма в искусственном интеллекте, реализация принципов информатики мозга голографическими методами Лекция 1. Перспективы развития компьютерных и информационных технологий История информатики Фундаментальные физические пределы информационных технологий Пределы электронной компьютерной техники. Развитие речи, языка - объективный процесс в развитии общества и является первой информационной революцией на заре формирования человека разумного (40 тыс. лет до н.э.) Изобретение и освоение письменности стало второй информационной революцией (около 5 тыс. лет до н.э.). Появление носителя информации — книга (IV в. до н.э.). Весь объем информации, заключавшийся в свитках Александрийской библиотеки можно оценить в 106 – 108 слов или в 0.1…1 Гб и это можно назвать одним из первых ИТ хранения. Первая ИТ система обработки информации Древнеримский абак. 1617 год. (1550 - 1617) создал деревянную машину для выполнения простейших вычислений – счетные палочки. В 1622 году, используя принцип действия этого устройства, Вильям Оугтред (William Oughtred) разработал логарифмическую линейку, которая в 19-20 веках стала основным инструментом инженеров. Автопортрет и модель счетного устройства Леонардо да Винчи. 1642 год. Блез Паскаль (1623 – 1662) описал машину для суммирования чисел. В 1673 г. немецкий ученый Вильгельм Готфрид Лейбниц (16461716), создает счетную машину. К зубчатым колесам он добавил ступенчатый валик, позволяющий осуществлять умножение и деление двенадцатиразрядных десятичных чисел.. Первый компьютер 1834 г. Машина Баббиджа 25 тыс. деталей 17470 ф.с. Чарлз Баббидж (1791-1871) Основатели цифровой компьютерной техники 1906 год. Ли Ди Форест (Lee DeForest) запатентовал вакуумный триод Джон Фон Нейман (1903-1957) Electronic Discrete Variable Automatic Computer (EDVAC) Норберт Винер (1894 – 1964) «1) Центральные суммирующие и множительные устройства должны быть цифровыми, как в обычном арифмометре, а не основываться на измерении, как в дифференциальном анализаторе Буша. 2) Эти устройства, являющиеся по существу переключателями, должны состоять из электронных ламп, а не из зубчатых передач или электромеханических реле. Это необходимо, чтобы обеспечить достаточное быстродействие. 3) В соответствии с принципами, принятыми для ряда существующих машин Белловских телефонных лабораторий, должна использоваться более экономичная двоичная, а не десятичная система счисления. 4) Последовательность действий должна планироваться самой машиной так, чтобы человек не вмешивался в процесс решения задачи с момента введения исходных данных до снятия окончательных результатов. Все логические операции, необходимые для этого, должна выполнять сама машина. 5) Машина должна содержать устройство для запасания данных. Это устройство должно быстро их записывать, надежно хранить до стирания, быстро считывать, быстро стирать их и немедленно подготавливаться к запасанию нового материала.» Норберт Винер, лето 1940 г. ENIAC – первый цифровой ламповый компьютер Electronic Numerical Integrator and Computer 1944 18000 электронных ламп 70000 резисторов 160 кВт потребляемая мощность John Presper Eckert John Presper Eckert (1919-1995) John W. Mauchly (1907-1980), Итаниум (2006) 1 700 000 000 транзисторов 1.7 ГГц Цифровой оптический процессор EnLight – 256 2003 8000 GMAC Поколения компьютерной техники • Механические машины (до 1940 г.) • Компьютеры на вакуумных электронных лампах (1943 – 1959 г.г.) • Транзисторные компьютеры (1959 – 1968 г.г.) • Компьютеры на интегральных схемах (1969 – 1977 г.г.) • Комьютеры на больших интегральных схемах (1978 – 2003 г.г.) • Цифровые оптические компьютеры (1990 г. – до наст. времени) • Фотонно-кристаллические компьютеры? • Биокомпьютеры? Основные даты элементной базы компьютерной техники • • • • • • • Электронный компьютер 1906 год. Ли Ди Форест запатентовал вакуумный триод 1947 – открытие транзистора (Бардин, Браттейн, Шокли) 1958 – интегральная схема (Джек Килби) 1978 – большая интегральная схема (Интел) Цифровой оптический компьютер 1984 – оптоэлектронная логическая ячейка (Белл) 1994 – акусто-оптическая матрица (Оптиком) 2003 – модулятор на кремниевой подложке (Интел) Первая планарная интегральная схема 1961 г. 25 мкм 2005 г. Прогноз Гордона Мура в 1965 г. N = exp(X – 1959)-1 N – число компонентов на интегральной схеме X – года Удвоение числа компонентов каждый год Прогноз Гордона Мура в 1975 г. Число транзисторов Данные 1965 г. Данные 1975 г. Прогноз Закон Мура для числа транзисторов с 1970 по 2007 г.г. Закон Мура для тактовой частоты Можем ли мы ожидать в 2020 г. электронный процессор с тактовой частотой 100 ГГц? Физика информационных технологий 1. 2. 3. 4. Скорость обработки информации Плотность памяти Затраченная энергия Время задержки. Предельная скорость обработки информации Физические постоянные: c = 2.9979 108 м с-1, ђ = h/2π = 1.054510-34 Дж с G = 6.67310-11 м3 кг -1 с-2. kB = 1.380510-23 Дж K-1, Каковы вычислительные возможности компьютера с массой 1 кг, занимающего объем 1 литр, размер условного ноутбука? Для совершения элементарного логического действия за время t требуется энергия E ≥ πђ/2t (соотношение неопределенности). Соответственно, система со средней энергией E может исполнить максимум 2E/πђ логических операций в секунду. 1 килограммовый компьютер обладает энергией E = mc2 = 8.98741016 Дж. Соответственно, такой ноутбук может выполнить максимум 5.42581050 действий в секунду . Предел Бремерманна Теорема Шеннона для канала с шумом: C = νmax • log( 1 + S/N ) Ширина полосы квантового канала ограничена νmax = Emax/h ≤ mc2/h, где – Emax максимальная энергия в системе Для квантовых систем с белым шумом S/N = 4π Тогда C = mc2/h log( 1 + 4π) Для одного грамма вещества C = 2.71047 бит/гр сек Hans J. Bremermann Minimum Energy Requirements of Information Transfer and Computing International Journal of Theoretical Physics, Vol. 21, Nos. 3/4, 1982 (Доклад в 1962) Предельный объем памяти Термодинамика дает верхний предел объема памяти в системе с энергией E Для системы частиц в объеме V r – число частиц и их состояний На один кг массы в объеме 1 литр I = 2.13 1031 бит. Молекулярный уровень: число Авогадро N ~ 1023 Атомарный уровень: число ядер N ~ 1027 Уровень кварков и андронов : N ~ 1031 Bekenstein, J. Phys Rev D 23 287 (1981). Три основных фундаментальных предела характеристик логической ячейки на основе электронной техники могут быть определены из основных законов термодинамики, квантовой механики и электромагнитной теории Термодинамический предел по мощности элементарной логической ячейки Передаточная кривая КМОП транзистора Выходное напряжение (В) Vmin kT 0.1В e Эксперимент Теория Входное напряжение (В) Квантовый предел по мощности элементарной логической ячейки Соотношение неопределенностей Гейзенберга E t h 1.055 10 34 Дж с Третий фундаментальный предел связан со скоростью распространения электрического импульса по микрочипу v, который не может быть больше скорости света в вакууме c : L v c0 t (где L – длина межсоединения между ячейками. Из (7) можно оценить предельную тактовую частоту микропроцессора размером 1×1 см2 – минимальная длина межсоединений в таком чипе (длина по диагонали) Lmin = √2 ≈ 1,41 см, соответственно tmin ≈ Lmin/c0 ≈ 47 пс и fmax ≈ 22 ГГц. Ограничение, связанное с отводом тепла от элементарной ячейки Q – тепловой поток, Дж/с А - площадь К – коэффициент теплопроводности A ri (vs t d ) 2 dT Q KA dx 2 vs – скорость носителей, td – время переключения Вт K Si 1 Р – мощность, отводимая от ячейки см град T 1000 C vs ~ 107 см/с Фундаментальные пределы современной компьютерной техники. Зависимость мощности, затрачиваемой на одно переключение, от времени переключения Мощность, Вт P Kvs Ttd * h P 2 td P kT td Время переключения Технологическая зависимость относительной величины емкости между двумя проводящими структурами микрочипа Емкость Минимальное расстояние Двойное расстояние Технология, нм Рост удельного электрического сопротивления медной пленки с уменьшением её толщины. ВЛИЯНИЕ ЕМКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КРЕМНИЕВОГО МИКРОЧИПА Энергия на зарядку С – емкость остается практически емкости микрочипа неизменной от технологии 2 U – напряжение на микрочипе не CU может быть меньше 0.1 В (0.5…1 В) E 2 Время на зарядку RS – сопротивление увеличивается с RC цепей микрочипа уменьшением характерного размера микрочипа и ростом тактовой частоты R C S Рассеиваемая мощность (E*) будет расти с уменьшением характерного размера микрочипа Задержка сигнала при распространении по микрочипу вследствие перезарядки Задержка, нс RC C Технология, нм 0S d Мощность, Вт Время переключения Верхние кривые отражают предел кремниевой технологии по отводу тепла, нижние кривые – по расходу энергии на перезарядку RC цепей в микрочипе Рост потерь в полупроводниковых процессорах Мощность, Вт Активные Пассивные Проблема отвода тепла от микрочипа Плотность мощности, Вт/см2 Поверхность Солнца Сопло ракеты Ядерный реактор Утюг Основные ограничения: С ростом числа элементов увеличивается электрическая емкость системы и препятствует увеличению тактовой частоты Увеличение числа элементов приводит к росту числа межсоединений и, соответственно, к увеличению времени задержки прохода сигнала между макроструктурами процессора С ростом тактовой частоты растет сопротивление, что приводит к нагреву систему и проблеме отвода тепла (при охлаждении солями тяжелых металлов – 103 Вт/см2) Оценки показывают, что максимум тактовой частоты при кремниевой технологии – 30…40 ГГц Мощность, Вт Пределы современной компьютерной техники. (d) (e) 6 Время переключения Вероятный ход зависимости закона Мура Контрольные вопросы 1.Определение оптоинформатики 2. Основные даты компьютерной техники 3. Поколения компьютерной техники 4. Прогноз Г.Мура 5. Термодинамический предел электронной ячейки. 6. Квантовый предел электронной ячейки. 7. Проблема отвода тепла. 8. График фундаментальных пределов 9. Влияние емкостных характеристик 10. Влияние задержки сигналов. 11. Пределы кремниевой технологии 12. Вероятный ход зависимости Г.Мура
