مشاهده نسخه کامل
: x-ray
23-12-2004, 07:51
بدون شک ، رايانه هاي الکترونيکي امروزي مهمترين ابزار محاسباتي ساخته دست بشر در طول
تاريخ تمدن است. انبوه محاسبات در کسر کوچکي از ثانيه ، امري که رياضيدانان بزرگي چون گاوس و لاپلاس و پوآنکاره روزها برايش وقت مي گذاشتند و حتي در خواب چنين سرعتي را تصور نمي کردند، بدل به قدرت بزرگ بشر قرن بيستم شده است و بسياري از پيشرفت هاي ما در علوم و فنون و صنعت ، نتيجه همين محاسبات سريع است.
هر 18 ماه ، سرعت اين ريزپردازنده هاي الکترونيکي دو برابر مي شود و هيچ کس نمي تواند تصوري براي سرعت محاسبات در چند سال آينده داشته باشد.
از مدتها پيش ، حتي قبل از همه گير شدن رايانه هاي شخصي ، گروهي از دانشمندان به بررسي محدوديت هاي روشهاي فعلي پرداختند و تصميم گرفتند روشهاي بهتري را جايگزين کنند.
نتيجه آن شد که امروزه شاخه هاي جديدي چون رايانه هاي کوانتومي ، بيولوژيک و نوري ظهور کرده اند و قدرت محاسباتي خود را به رخ همتاي الکترونيکي خود مي کشند.رايانه هاي امروزي براساس جريان هاي الکتريکي و قطعات الکترونيکي کار مي کنند.
سيستم محاسبات در مبناي دو است که عبور جريان نمايانگر يک و قطع جريان بيانگر صفر است. جريان الکتريکي از ميان قطعات الکترونيکي (بخصوص ترانزيستورها) و انواع و اقسام مدارهاي منطقي عبور مي کند تا محاسبه اي شکل بگيرد و نتيجه به دست آيد.
مي توان بسادگي حدس زد که سرعت محاسبات تابع چه عواملي است: نخست ، مبناي محاسبات است که اگر مثلا از 2به 4 افزايش يابد، تاثير غيرقابل تصوري خواهد داشت. عامل ديگر، کثرت قطعات الکترونيکي است که مي تواند در واحد زمان ، تعداد محاسبات را افزايش دهد و عامل سوم ، طول مسير بين قطعات است ؛ چون سرعت جريان الکتريکي محدود است ، پس هرچه ابعاد مدارها کمتر باشد، زمان عبور کمتري تلف مي شود و در واحد زمان ، محاسبات بيشتري مي توان انجام داد.
تغيير مبناي محاسبات کار فوق العاده دشواري است. به همين دليل اغلب غولهاي سخت افزاري بر روي دو عامل بعدي سرمايه گذاري مي کنند، يعني سعي مي کنند ابعاد قطعات و مدارهاي خود را کاهش دهند.
بدين ترتيب در حجم ثابت ، تعداد قطعات بيشتري در فواصل کمتري از يکديگر قرار مي گيرند. اگر نگاهي به پيشرفت ريزپردازنده هاي مرکزي بيندازيد، کاملا متوجه اين موضوع مي شويد.
ريزپردازنده هاي پنتيوم 4 که از سرعت محاسباتي 6/3گيگاهرتز (6/3 ميليارد عمل در ثانيه) برخوردارند، ترانزيستورهايي دراندازه 90نانومتر دارند.
اگر قرار باشد هر 18ماه تعداد ترانزيستورها در ريزپردازنده دو برابر شود، آن گاه در آينده اي نزديک ابعاد اين قطعات به حد اتمي خواهد رسيد، همان طور که خيلي ها با خوش بيني اين روز را پيش بيني کرده اند، ولي اين موضوع بدان معني است که سيگنال هاي الکتريکي بايد مسير طولاني تري را در سيمهاي نازک تري طي کنند و اگر بخواهيم از مواد رساناي فعلي استفاده کنيم ، انبوه سوييچ ها و سيمهاي نزديک هم ممکن است يک پالس ضعيف 1را آنقدر تضعيف کنند که به صفر تبديل شود.
نکته ديگر اين است که الکترون ، ذره هايي که بار اصلي اطلاعات را بر عهده دارد، در ابعاد بزرگ خوش رفتار است ، ولي اگر وارد مقياس هاي بسيار کوچک شويم ، آن گاه به ذره اي پيش بيني ناپذير تبديل مي شود و ديگر نمي توان با قطعيت درباره شرايط آن صحبت کرد.
مکانيک کوانتومي که رفتار ذرات را در مقياس هاي کوچک توصيف مي کند، مي گويد رفتار الکترون در ابعاد کمتر از 20 نانومتر (هر نانومتر، يک ميليارديم متر است) غيرقابل پيش بيني مي شود و ديگر نمي توان از صحت کارکرد و نتيجه عبور يک الکترون از يک ترانزيستور ساده مطمئن بود؛ چه برسد به آن که مداري متشکل از ميليون ها ترانزيستور را بخواهيم تحميل کنيم.
مشکل ديگر، نرخ فزاينده انتقال اطلاعات است. اينترنت هر ماه حدود 15درصد رشد دارد و براي آن که بتوان اين حجم عظيم اطلاعات را بدون مشکل منتقل کرد، بايد ظرفيت انتقال اطلاعات را در شبکه افزايش داد.
فيبرهاي نوري راه حل بسيار خوبي هستند، ولي ايراد کار اين است که فيبر نوري با نور کار مي کند و رايانه ها و شبکه ها با جريان الکتريکي. پس مجبوريم حتما در جايي از سوييچ هاي الکترونيکي استفاده کنيم.
اين سوييچها، نمي توانند نرخي بيش از 50 گيگابايت بر ثانيه را عبور بدهند و بنابراين سرعت شبکه هم نمي تواند از اين مقدار بيشتر شود. بنابراين آينده شبکه ها و رايانه هاي فعلي جوابگوي توسعه فزاينده فناوري اطلاعات نيست.
از اين رو، برخي از دانشمندان پيشنهاد داده اند به جاي جريان الکتريکي از پرتوهاي نور استفاده شود، يعني فوتون به جاي الکترون.
حرکت با سرعت نور
ايده نخستين اين رايانه هاي نوري به سال 1987 بازمي گردد، زماني که ساجيوجان ، استاد فيزيک دانشگاه تورنتو پديده کريستال هاي فوتونيک را مطرح کرد.
اين کريستال ها، برخي نورها را عبور مي دهند و برخي ديگر را عبور نمي دهند، در نتيجه مي توان با استفاده از آنها پرتوهاي نور را کنترل کرد و قطعاتي اپتيکي مشابه مدارهاي الکترونيکي ساخت.
اگر بتوان چنين کريستال هايي را به توليد انبوه رساند و مدارهاي منطقي و شبه ترانزيستورهاي نوري را با آنها ساخت ، رايانه هايي فوق العاده سريع در اختيار خواهيم داشت.
ذرات نور با سرعت سيصد هزار کيلومتر در ثانيه که به مراتب بيشتر از سرعت جريان الکتريکي است ، حرکت مي کنند. محدوديتي بر سر ابعاد قطعات وجود نخواهد داشت ، حرارتي مشابه آنچه در رايانه هاي امروزي توليد مي شود وجود نخواهد داشت و در نتيجه هم رايانه با قدرت کمتري کار مي کند و هم سروصداي آن کاهش مي يابد. اما جداي از اينها، خاصيت مهم ديگري نيز وجود دارد.
رنگهاي مختلف نور روي يکديگر تاثيري نمي گذارند و مي توان آنها را پس از ترکيب شدن با يکديگر مجددا جدا کرد. اين بدان معني است که مي توان در هر لحظه ، چندين پرتو مختلف نور را به يک قطعه اپتيکي فرستاد و به جاي يک محاسبه ، چند محاسبه صورت داد.
اين قدرت پردازش موازي چيزي است که هيچ رايانه الکترونيکي نمي تواند به آن دست يابد. يکي ديگر از مزاياي رايانه هاي نوري نسبت به ديگر روشهاي محاسباتي در دست مطالعه (مانند محاسبات کوانتومي) اين است که الگوريتم هاي محاسباتي همان الگوريتم هاي رايانه هاي امروزي است ، زيرا از سيستم شمارش دودويي استفاده مي شود.
بنابراين مشکلات اين بخش فقط به مسائل سخت افزاري محدود مي شود، بر خلاف ديگر زمينه هاي تحقيقاتي که هنوز در نرم افزار و اصول اوليه محاسباتي مانده اند. هنوز براي رسيدن به يک رايانه نوري کامل راه زيادي در پيش است.
از اين رو دانشمندان ترجيح داده اند در قدم اول ، ترکيبي از رايانه هاي نوري الکترونيکي را توليد کنند و تا حدودي در اين کار موفق بوده اند.
محاسبات دوگانه با نور و الکترون
ترکيب محاسبات الکترونيکي و نوري ، نيازمند موادي است که در آنها، الکترونها بتوانند پرتوهاي نور (ذرات فوتون) را تحريک کنند.
اين پديده که تقريبا عکس پديده فوتوالکتريک محسوب مي شود در سال 1978معرفي شد و چندي بعد، نخستين ماده از اين نوع ساخته شد: نيوبات ليتيوم با فرمول.Linbo3 پس از آن تحقيقات بيشتر روي ترکيبات آلي متمرکز شده است ، زيرا حساسيت آنها نسبت به تغييرات شدت نور به مراتب بيش از مواد معدني است.
ترکيبات آلي همچنين مي توانند توابعي مانند سويچينگ ، تحليل سيگنال و افزايش فرکانس را با قدرت کمتري نسبت به مواد معدني انجام دهند. ديگر حتي نيوبات ليتيوم هم در حاشيه قرار گرفته ، چرا که پليمرهاي توليد شده توانايي هايي بسيار بيشتر از اين ماده معدني دارند. در آخرين پيشرفت هاي اين علم که به دانش فتوتونيک مشهور شده است ، محققان توانسته اند معادل نوري يک ترانزيستور را بسازند.
اين قطعه که تراسنفازور نام گرفته ، با نور فعال مي شود و براي عبور نور، شفاف مي شود و براي ممانعت از عبور نور، کدر است. شيوه توليد آن بسيار دشوار است و توليد انبوه آن فعلا عملي نيست
منبع : [ برای مشاهده لینک ، لطفا با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
تاريخ تمدن است. انبوه محاسبات در کسر کوچکي از ثانيه ، امري که رياضيدانان بزرگي چون گاوس و لاپلاس و پوآنکاره روزها برايش وقت مي گذاشتند و حتي در خواب چنين سرعتي را تصور نمي کردند، بدل به قدرت بزرگ بشر قرن بيستم شده است و بسياري از پيشرفت هاي ما در علوم و فنون و صنعت ، نتيجه همين محاسبات سريع است.
هر 18 ماه ، سرعت اين ريزپردازنده هاي الکترونيکي دو برابر مي شود و هيچ کس نمي تواند تصوري براي سرعت محاسبات در چند سال آينده داشته باشد.
از مدتها پيش ، حتي قبل از همه گير شدن رايانه هاي شخصي ، گروهي از دانشمندان به بررسي محدوديت هاي روشهاي فعلي پرداختند و تصميم گرفتند روشهاي بهتري را جايگزين کنند.
نتيجه آن شد که امروزه شاخه هاي جديدي چون رايانه هاي کوانتومي ، بيولوژيک و نوري ظهور کرده اند و قدرت محاسباتي خود را به رخ همتاي الکترونيکي خود مي کشند.رايانه هاي امروزي براساس جريان هاي الکتريکي و قطعات الکترونيکي کار مي کنند.
سيستم محاسبات در مبناي دو است که عبور جريان نمايانگر يک و قطع جريان بيانگر صفر است. جريان الکتريکي از ميان قطعات الکترونيکي (بخصوص ترانزيستورها) و انواع و اقسام مدارهاي منطقي عبور مي کند تا محاسبه اي شکل بگيرد و نتيجه به دست آيد.
مي توان بسادگي حدس زد که سرعت محاسبات تابع چه عواملي است: نخست ، مبناي محاسبات است که اگر مثلا از 2به 4 افزايش يابد، تاثير غيرقابل تصوري خواهد داشت. عامل ديگر، کثرت قطعات الکترونيکي است که مي تواند در واحد زمان ، تعداد محاسبات را افزايش دهد و عامل سوم ، طول مسير بين قطعات است ؛ چون سرعت جريان الکتريکي محدود است ، پس هرچه ابعاد مدارها کمتر باشد، زمان عبور کمتري تلف مي شود و در واحد زمان ، محاسبات بيشتري مي توان انجام داد.
تغيير مبناي محاسبات کار فوق العاده دشواري است. به همين دليل اغلب غولهاي سخت افزاري بر روي دو عامل بعدي سرمايه گذاري مي کنند، يعني سعي مي کنند ابعاد قطعات و مدارهاي خود را کاهش دهند.
بدين ترتيب در حجم ثابت ، تعداد قطعات بيشتري در فواصل کمتري از يکديگر قرار مي گيرند. اگر نگاهي به پيشرفت ريزپردازنده هاي مرکزي بيندازيد، کاملا متوجه اين موضوع مي شويد.
ريزپردازنده هاي پنتيوم 4 که از سرعت محاسباتي 6/3گيگاهرتز (6/3 ميليارد عمل در ثانيه) برخوردارند، ترانزيستورهايي دراندازه 90نانومتر دارند.
اگر قرار باشد هر 18ماه تعداد ترانزيستورها در ريزپردازنده دو برابر شود، آن گاه در آينده اي نزديک ابعاد اين قطعات به حد اتمي خواهد رسيد، همان طور که خيلي ها با خوش بيني اين روز را پيش بيني کرده اند، ولي اين موضوع بدان معني است که سيگنال هاي الکتريکي بايد مسير طولاني تري را در سيمهاي نازک تري طي کنند و اگر بخواهيم از مواد رساناي فعلي استفاده کنيم ، انبوه سوييچ ها و سيمهاي نزديک هم ممکن است يک پالس ضعيف 1را آنقدر تضعيف کنند که به صفر تبديل شود.
نکته ديگر اين است که الکترون ، ذره هايي که بار اصلي اطلاعات را بر عهده دارد، در ابعاد بزرگ خوش رفتار است ، ولي اگر وارد مقياس هاي بسيار کوچک شويم ، آن گاه به ذره اي پيش بيني ناپذير تبديل مي شود و ديگر نمي توان با قطعيت درباره شرايط آن صحبت کرد.
مکانيک کوانتومي که رفتار ذرات را در مقياس هاي کوچک توصيف مي کند، مي گويد رفتار الکترون در ابعاد کمتر از 20 نانومتر (هر نانومتر، يک ميليارديم متر است) غيرقابل پيش بيني مي شود و ديگر نمي توان از صحت کارکرد و نتيجه عبور يک الکترون از يک ترانزيستور ساده مطمئن بود؛ چه برسد به آن که مداري متشکل از ميليون ها ترانزيستور را بخواهيم تحميل کنيم.
مشکل ديگر، نرخ فزاينده انتقال اطلاعات است. اينترنت هر ماه حدود 15درصد رشد دارد و براي آن که بتوان اين حجم عظيم اطلاعات را بدون مشکل منتقل کرد، بايد ظرفيت انتقال اطلاعات را در شبکه افزايش داد.
فيبرهاي نوري راه حل بسيار خوبي هستند، ولي ايراد کار اين است که فيبر نوري با نور کار مي کند و رايانه ها و شبکه ها با جريان الکتريکي. پس مجبوريم حتما در جايي از سوييچ هاي الکترونيکي استفاده کنيم.
اين سوييچها، نمي توانند نرخي بيش از 50 گيگابايت بر ثانيه را عبور بدهند و بنابراين سرعت شبکه هم نمي تواند از اين مقدار بيشتر شود. بنابراين آينده شبکه ها و رايانه هاي فعلي جوابگوي توسعه فزاينده فناوري اطلاعات نيست.
از اين رو، برخي از دانشمندان پيشنهاد داده اند به جاي جريان الکتريکي از پرتوهاي نور استفاده شود، يعني فوتون به جاي الکترون.
حرکت با سرعت نور
ايده نخستين اين رايانه هاي نوري به سال 1987 بازمي گردد، زماني که ساجيوجان ، استاد فيزيک دانشگاه تورنتو پديده کريستال هاي فوتونيک را مطرح کرد.
اين کريستال ها، برخي نورها را عبور مي دهند و برخي ديگر را عبور نمي دهند، در نتيجه مي توان با استفاده از آنها پرتوهاي نور را کنترل کرد و قطعاتي اپتيکي مشابه مدارهاي الکترونيکي ساخت.
اگر بتوان چنين کريستال هايي را به توليد انبوه رساند و مدارهاي منطقي و شبه ترانزيستورهاي نوري را با آنها ساخت ، رايانه هايي فوق العاده سريع در اختيار خواهيم داشت.
ذرات نور با سرعت سيصد هزار کيلومتر در ثانيه که به مراتب بيشتر از سرعت جريان الکتريکي است ، حرکت مي کنند. محدوديتي بر سر ابعاد قطعات وجود نخواهد داشت ، حرارتي مشابه آنچه در رايانه هاي امروزي توليد مي شود وجود نخواهد داشت و در نتيجه هم رايانه با قدرت کمتري کار مي کند و هم سروصداي آن کاهش مي يابد. اما جداي از اينها، خاصيت مهم ديگري نيز وجود دارد.
رنگهاي مختلف نور روي يکديگر تاثيري نمي گذارند و مي توان آنها را پس از ترکيب شدن با يکديگر مجددا جدا کرد. اين بدان معني است که مي توان در هر لحظه ، چندين پرتو مختلف نور را به يک قطعه اپتيکي فرستاد و به جاي يک محاسبه ، چند محاسبه صورت داد.
اين قدرت پردازش موازي چيزي است که هيچ رايانه الکترونيکي نمي تواند به آن دست يابد. يکي ديگر از مزاياي رايانه هاي نوري نسبت به ديگر روشهاي محاسباتي در دست مطالعه (مانند محاسبات کوانتومي) اين است که الگوريتم هاي محاسباتي همان الگوريتم هاي رايانه هاي امروزي است ، زيرا از سيستم شمارش دودويي استفاده مي شود.
بنابراين مشکلات اين بخش فقط به مسائل سخت افزاري محدود مي شود، بر خلاف ديگر زمينه هاي تحقيقاتي که هنوز در نرم افزار و اصول اوليه محاسباتي مانده اند. هنوز براي رسيدن به يک رايانه نوري کامل راه زيادي در پيش است.
از اين رو دانشمندان ترجيح داده اند در قدم اول ، ترکيبي از رايانه هاي نوري الکترونيکي را توليد کنند و تا حدودي در اين کار موفق بوده اند.
محاسبات دوگانه با نور و الکترون
ترکيب محاسبات الکترونيکي و نوري ، نيازمند موادي است که در آنها، الکترونها بتوانند پرتوهاي نور (ذرات فوتون) را تحريک کنند.
اين پديده که تقريبا عکس پديده فوتوالکتريک محسوب مي شود در سال 1978معرفي شد و چندي بعد، نخستين ماده از اين نوع ساخته شد: نيوبات ليتيوم با فرمول.Linbo3 پس از آن تحقيقات بيشتر روي ترکيبات آلي متمرکز شده است ، زيرا حساسيت آنها نسبت به تغييرات شدت نور به مراتب بيش از مواد معدني است.
ترکيبات آلي همچنين مي توانند توابعي مانند سويچينگ ، تحليل سيگنال و افزايش فرکانس را با قدرت کمتري نسبت به مواد معدني انجام دهند. ديگر حتي نيوبات ليتيوم هم در حاشيه قرار گرفته ، چرا که پليمرهاي توليد شده توانايي هايي بسيار بيشتر از اين ماده معدني دارند. در آخرين پيشرفت هاي اين علم که به دانش فتوتونيک مشهور شده است ، محققان توانسته اند معادل نوري يک ترانزيستور را بسازند.
اين قطعه که تراسنفازور نام گرفته ، با نور فعال مي شود و براي عبور نور، شفاف مي شود و براي ممانعت از عبور نور، کدر است. شيوه توليد آن بسيار دشوار است و توليد انبوه آن فعلا عملي نيست
منبع : [ برای مشاهده لینک ، لطفا با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]