Альтернативные базы ЭВМ

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

на тему: «Альтернативные базы ЭВМ»

1. Текущая технология литографии позволяет производить процессоры с минимальным топологическим расстоянием в 35 и 22 нм. Самая передовая технология EUV (Extreme Ultra Violet) имеет чёткие пределы - 16 нм. Частота процессоров на 22-миллиметровой технологи уже не уходит от 2 МГц, потому что при её повышении начинается перегрев схем и нестабильность в их работе. Из-за уменьшения площади кристалла интенсивность передачи тепла от него к крышке процессора снижается. Дальнейшая миниатюризация лишь усугубит эту проблему. В качестве решения применяется параллелизм, но его реализация требует дополнительных площадей кристалла и иной подход к программированию. Можно с уверенностью сказать, что интегральные схемы на кварцевой подложке достигли своего предела. По всему миру уже давно проходят исследования принципиально новых логических элементов и способов организации вычислительных процессов на них.

2. Самое простое, что можно сделать - это уменьшить напряжение питания. Это снизит перегрев, но увеличит число ошибок из-за небольшой разницы между высоким и низким логическими уровнями напряжения. Решить проблему можно введением примесей, повышающих чувствительность затвора транзистора. Теоретически процессор с сегнетоэлектрическими примесями может работать на напряжениях 0,2 - 0,12 В. Что существенно снизит его потребляемую мощность позволит значительно повысит частоту вплоть до СВЧ диапазона при сохранении текущего уровня миниатюризации. Важной проблемой данного направления является помехоустойчивость.

3. Так же следует обратить внимание на криоэлектронику. Её развитие направлено на уменьшение потребляемой мощности достижением сверхпроводимости, т.е. отсутствия сопротивления в проводнике. Можно выделить следующие направления:

Использование сверхнизких температур для достижения сверх проводимости в металлах;

- Общий криостатируемый корпус - охлаждение корпуса производиться при помощи охладительных установок на жидком гелии, водороде или азоте (такие установки очень громоздкие и применение, соответственно будет очень узким);

- Интегрированные крионасосы - p-n переходы с постоянным питанием: на области перехода происходит процесс поглощения тепла из окружающей среды (применение этой технологии повысит энергопотребление схем, а также займёт значительную полезную площадь кристалла); температура проводимость металл регистр

Использование сверхчистых кристаллических структур - основной фактор активного сопротивления проводника - нарушения кристаллической решётки в виде инородных примесей: если удалите примеси - устраняете львиную долю сопротивления;

Использование материалов высокотемпературной сверхпроводимости - уже разработаны виды керамики, способные при температуре 77 К переходит в состояние сверхпроводимости (температура жидкого азота), следует ожидать появления материалов «комнатной сверхпроводимости».

Криоэлектроника аналогично примесям решает проблемы миниатюризации и повышения тактовой частоты процессоров.

4. Функциональная - во-первых: элементы располагаются в объёме тела, а не на поверхности листа материала. Во-вторых: в качестве носителей информации выступают физические процессы внутри материала, не только электрический ток. В-третьих: структуры внутри тела не статичны - это динамические неоднородности. Статические используются только для управления динамическими.

Направления:

1) Полупроводниковая и Диэлектрическая электроника. Неоднородность - домены элетрического поля

2) Криоэлектроника. Здесь - вихревые токово-полевые неоднородности (Такие Вихри Абрикосова)

3) Акустоэлектроника. Твёрдотельные продольные волны и поверхностные акустические волны

4) Магнитоэлектроника. Неоднородности - цилиндрические магнитные домены, магнитоупругие волны

5) Оптоэлектроника. Фотоупругий эффект

6) Акустооптика. Про ней дальше…

7) Акустическая электрика. Пъезоэффект

8) Хемотроника. Ток в ионах, жидкостях, растворах

Вoт несколько элементов акустоэлектроники…

Вычислительное устройство на основе ФЭ будет иметь следующую структуру:

Континуальная среда - однородная среда с особыми физическими свойствами, предполагающими возникновение неоднородностей

Генератор динамических неоднородностей

Динамические неоднородности

Устройство управления неоднородностями - статическая структура ввода

Детектор - статическая структура вывода информации

Основные преимущества: функциональная интеграция, минимальные энергетические затраты, небольшие габариты, устойчивость к внешним агрессивным воздействиям и другое. Область очень широка и не известно к чему приведёт её развитие.

Данная область заслуживает особого внимания, так как наиболее полномасштабные исследования проводились в СССР и осталась серьезная теоретическая база и технологическая база, которая может послужит основой для конкурентоспособной отрасли отечественной вычислительной техники на вышеперечисленных эффектах. Но в данный момент этой областью никто не интересуется, и все разработки идут лишь в теории. В СССР, тем не менее, были созданы жизнеспособные прототипы, обладающие явными преимуществами над классическими устройствами.

Примерами применения являются линии задержки и устройства памяти на поверхностных акустических волнах (ПАВ), память на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД).

5. Совершенно иной подход предполагается в квантовой электронике. Задача оной заключается в нахождении механизмов управления процессами «считывания» и «записи» квантовых величин с физических носителей. Существует уже несколько предложений, как реализовать эти носители (кубиты) и операции над ними.

Кванты - это неделимы частички энергии, потому очень подходящие для реализации на изменении их количества вычислений.

В разработке квантовых компьютеров существует ряд характерных задач.

Обеспечение достаточно большого числа хорошо различаемых квантовых элементов.

Возможность процесса инициализации квантовых регистров.

Эффект декогерентизации, т.е. произвольного перехода кубитов в другие состояния под влиянием теплового движения, электромагнитных, нейтринных, др. излучений и иных внешних воздействий. Необходима изоляция квантовой системы от внешней среды.

Обеспечение унитарного преобразования за время такта.

Точность измерения состояния кубита.

На текущий момент существует несколько перспективных способов реализации кубита.

1) Использование уровней энергии ионов, захваченных ионными ловушками, создаваемыми в вакууме определенной конфигурацией электрическим полем. Характеристика:

длинна цепочки ионов ограничена их стабильностью <40

требуются сверхнизкие температуры

просто побитовое управление

2) Использование ориентации ядерного спина атомов жидкости

число кубитов ограничено <10

- хорошо известный эффект ядерного магнитного резонанса для управления

- уже успешно осуществлены квантовые аналоги алгоритмов

3) Зарядовые состояния куперовских пар

требуются сверхнизкие температуры

-Неограниченное число кубитов

-Управление лазером

4) Спины донорных атомов кремневых структур

-хорошо известный эффект ядерного магнитного резонанса для управления

-Регулярная структура с неограниченным числом кубитов

Сверхнизкие температуры

Не реализована система измерения состояния кубитов

5) Быстрая одноквантовая логика - использование квантов магнитного потока и «вечных» микротоков в кольцевых сверхпроводниках

-Частота 20-100 ГГц

Требуются сверхнизкие температуры

Сложность в тактировании и синхронизации

-Быстрые квантовые буферы межпроцессорной сети (1 петафлов в секунду)

-Технология реализована в магнитных томографах и сверхточных АЦП и ЦАП

Прогнозируемая производительность квантовых машин исчисляется петафлопами. Но существует ряд технических проблем, которые если даже и будут решены в ближайшее время - ещё очень долго не позволят использовать квантовые вычислители повсеместно.

Гибридно-технологическая Многопоточная. В основе лежит использование технологий "гибридность" и "многопоточность". За новым петафлопным суперкомпьютером закрепился термин "гиперкомпьютер"

Каждый из 4096 микропроцессоров гиперкомпьютера аппаратно поддерживает 16 параллельных процессов ("потоков"). Каждому потоку предоставляется набор из шестидесяти четырех 64-битных регистров общего назначения, необходимые контрольные регистры и целочисленное АЛУ. Функциональные устройства с плавающей запятой и закрепленный за процессором буфер памяти (СвОЗУ) одинаково доступны для всех 16 потоков.

Необходимо отметить, что проект гиперкомпьютера предусматривает два типа полупроводниковой оперативной памяти: статическую (возможно, охлажденную до температуры жидкого азота, 77 градусов Кельвина) и динамическую. С точки зрения процессоров, вся память образует единое адресное пространство.

Важнейшей коммуникационной артерией гиперкомпьютера является "Вихрь Данных" ("Data Vortex"), широкополосная оптическая многоступенчатая пакетная сеть. Эта сеть, создаваемая группой Коука Рида и Керен Бергман в Принстонском университете (Coke Reed, Keren Bergman, Princeton, США), соединяет друг с другом все банки динамической и статической полупроводниковой памяти.

Еще одна оптическая компонента гиперкомпьютера - голографическая память (Деметри Псалтис, Калифорнийский Технологический институт; Demetri Psaltis, Caltech, США). Один кристалл голографической памяти будет вмещать 1 гигабайт информации, которая может быть считана или записана в виде одномегабайтных страниц. Отличительной особенностью голографической памяти является ее нечувствительность к перебоям электропитания. Вероятно, голографические кристаллы будут выполнять те же функции, что и жесткие диски в современных компьютерах.

В настоящее время в мире насчитывается более двух десятков групп, ведущих исследования в области БОКЛ. Основными применениями цифровой сверхпроводниковой микролектроники считаются АЦП и их близкие родственники, высокоточные квантовые магнитометры (SQUID-ы); ЦАП и их родственники, программируемые генераторы сигналов; телекоммуникационные коммутаторы, и, конечно же, самый главный и самый масштабный по финансированию проект американского суперкомпьютера XXI века.

Размещено на Allbest.ru