В 60–е годы XX века тогдашний студент Московского физико–технического института проходил практику в Институте точной механики и вычислительной техники. И выбрал темой дипломной работы «Голографические запоминающие устройства».
Это сегодня никого уже не удивишь радужной пленкой, гарантирующей, что товар не подделан, или пластинкой, позволяющей увидеть объемное изображение предмета. Ныне есть даже голографическое кино. А в ту пору только публиковались первые статьи, в которых предлагался принцип голографической записи изображений. И готовя дипломную работу, Вербовецкий сам разрабатывал голографические установки, искал способы записывать и считывать голограммы.
Окончив институт, он стал дипломированным специалистом по оптоэлектронике. И кандидатскую диссертацию тоже защищал по голографической памяти. В 1963 году известный ученый Ван Хирден предложил идею объемной голографической памяти в кристалле. Вербовецкий подхватил эту идею и спустя десять лет с помощью коллег из Государственного оптического института и Ленинградского оптико–механического объединения изготовил такую память.
Следующим шагом к появлению суперкомпьютера было создание ассоциативной голографической памяти небывалой емкости – до 1012 байт. А фантастически огромная память потребовала изменения всей архитектуры компьютера, и изобретателю пришлось создавать новые арифметико–логические устройства – сложения, вычитания, умножения, деления, извлечения квадратного корня и так далее. И последним шагом на пути к суперкомпьютеру было введение в него волоконной оптики.
В итоге получился компактный высокопроизводительный агрегат, обладающий замечательной надежностью, помехозащищенностью. «Если работу электронного компьютера могут сбить внешние воздействия – гроза, искрящий трамвай или троллейбус под окном, то в оптцческом компьютере этого не случается», – утверждает изобретатель.
Он надеется, что в скором времени его разработкой заинтересуются производители серийной техники и тогда оптический суперкомпьютер Вербовецкого перестанет быть единственным представителем нового поколения компьютерной техники.
А до каких пор будет идти совершенствование вычислительной техники? До тех пор, пока последний из компьютеров не превратится в Бога! Именно такую версию в рассказе «Последний вопрос» лет 40 назад высказал писатель–фантаст Айзек Азимов. Однако даже сам автор вряд ли предполагал, что его идея будет вскоре подхвачена учеными. Тем не менее вот что пишет по этому поводу известный журнал «New Scientist».
От фантастики к реальности
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».