В каком году произошла первая сборка молекулярного компьютера
Говорят, что все изобретения человечества были «подмечены» у природы, или хотя бы имеют природные аналоги; например, у самолёта в природе есть аналог — птица. А есть ли аналог компьютера и компьютерных программ?
Это — биологическая клетка, которая и будет рассмотрена в этом посте с точки зрения программиста, как молекулярный компьютер. Вы узнаете, что многие современные способы и алгоритмы обработки информации появились не в 1980-х годах, а на многие миллионы лет раньше.
Носитель информации
Данные хранятся на молекулярном носителе информации — на одной молекуле (ДНК, у прокариотов ДНК в виде кольца), и разделены на кластеры (гены). Данные хранятся в виде 4-ричного кода (физически представлены в виде 4-х нуклеотидов: аденин, тимин, цитозин, гуанин). Высокая отказоустойчивость и целостность данных осуществляется по технологии RAID 1 (ДНК — двойная спираль, нуклеотиды в обоих спиралях связаны в пары А=Т, Ц=Г). Регулярно проходят проверки целостности данных (с помощью белка ДНК-лигазы), найденные повреждения восстанавливаются, разумеется при сохранившемся дубликате.
Репликация такой базы данных осуществляется специальной службой (белковым комплексом под названием реплисома) методом физического разделения носителей информации, осуществляя тут же создание полноценной резервной копии одного из носителей, а так же сверяя при разделении целостность информации и восстанавливая повреждения. Создание резервной копии для реплики производится с задержкой для экономии ресурсов (см. репликация ДНК). По окончании процесса репликации, обе копии данных содержат резервные копии, соответствующие спецификации RAID 1.
Носитель так же поддерживает запись информации (обратная транскрипция), но запись на практике применяется редко, обычно трудно уничтожаемыми вирусами (ретровирусы).
Параметры носителя: Объём памяти: масштабируемый, скорость репликации: >1 Гб/с (не точно), скорость чтения/записи: . Мб/с / . Мб/с.
Так как это молекулярный компьютер, то объём оперативной памяти определяет число свободно доступных молекул, незадействованных в хранении данных. При выделении памяти в «ОЗУ» берутся свободные молекулы и выстраиваются в нити, в последовательности, кодирующую информацию.
При освобождении памяти нитевидные молекулы разделяются, пополняя объём свободных молекул.
Чтение данных с носителя информации
В начале чтения данных с носителя (транскрипция ДНК) в «ОЗУ» осуществляется поиск нужного места на носителе (сайты связывания). Затем считывание продолжается до признака конца файла (предположительно последовательность АААА). Образовавшаяся нитевидная молекула (РНК или мРНК) направляется на обработку.
Процессы чтения могут проходить параллельно.
Запуск программ по событию
Запуск процесса чтения осуществляется по событиям (под воздействием специальных белков). При поступлении события, или группы событий начинает считывается служебная информация с нужного участка данных на носителе (ДНК), где могут содержаться ссылки на другие участки, которые будут считанны для выполнения (инициация транскрипции — сложный процесс, зависящий от последовательности ДНК и от наличия или отсутствия различных белковых факторов).
Процессор
В компьютере находятся множество процессоров, которые выполняют код, хранимый на нитевидных молекулах (РНК), так что можно сказать, что этот вид компьютеров поддерживает multithreading как в прямом, так и в переносном смысле.
Слово «поток», в компьютере который, неправильно когда-то с английского переведён был. На самом деле перевод дословный thread-а будет — нить!
Машинное слово 3-хразрядное, но 4-ричное. Все команды фиксированной длины — одно машинное слово (кодон), т.е. 64 вида команд.
Примечание: до попадания в процессор, поток (РНК) проходит пре-обработку (сплайсинг), при которой убираются лишние команды.
Процессор управляет молекулярным компьютером посредством создания белков, которые делают всю физическую работу: от построения новых структур и изменения формы и движения до запуска новых программ (т. е. команд считывания новых РНК).
Архитектура процессора: 64 командный, скорость выполнения: зависит от шины данных (скорости доставки молекул).
Assembler: какие команды?
Команд 64, из них:
Кодируют информацию по сборке: 61 (однако их действия дублируются)
Управляющие: 3 (условная остановка:UAG, UGA, обязательная остановка UAA),
Зарезервировано: примерно 41 можно использовать не по назначению, если немного изменить процессор (см. неканонические кодоны).
Модульная структура кода
Выше был рассмотрен код в виде «ассемблера», а теперь рассмотрим в виде языка сверх-высокого уровня. Выяснилось, что каждый ген отвечает за какую-то конкретную функцию, или набор функций.
У многоклеточных организмов есть гены, отвечающие за построение конкретных систем у живых организмов, таких как глаза, лапы и т. д. Есть гены, отвечающие за построение сегментов: голова, туловище, хвост.
Изменение в генах, отвечающих за внутреннее строение глаза повлияет лишь на его внутренне строение, а изменение гена, отвечающего за расположение глаза приведёт к тому, что глаза будут у организма, но расти они будут из других мест. Если убрать ген, отвечающий за расположение глаз, то они не вырастут.
Примечательно то, что эти «блоки» (гены) взаимозаменяемы у большинства живых организмов. Так, учёные провели опыт: у мушек-дрозофилл удалили ген, отвечающий за расположение глаз — новые мушки появились безглазыми. В следующее поколение мушек вставили ген, отвечающий за положение глаз, который взяли у мышей, и у мушек появились глаза, мушиные а не мышиные.
Похоже многие гены одинаковые для большинства живых организмов, и главное — взаимозаменяемы!
Что такое генная инженерия
Учёные уже научились выделять гены из одних живых организмов, и вставлять их в другие, получая новые организмы. Этот процесс называется генная инженерия. На сколько я знаю, сейчас функции генов выявляют методом проб и ошибок: повреждают ген, смотрят что изменилось, или смотрят на «мутировавшую» особь, и сверяют её гены с эталонной (чем-то похоже на взламывание программ в отладчике).
Когда поймут, за что отвечают гены у многих организмов, когда научатся не только копировать уже готовые гены, а создавать совершенно новые, тогда не потребуется создавать каких-либо механических нанороботов — они уже будут в виде биологически запрограммированных клеток.
В заключение
Первый «ДНК компилятор» сделали в 2010 году группа учёных, которой руководил доктор Крейг Вентер.
Так же успешно была сохранена, а затем прочитана абстрактная информация в ДНК (файлы, размером примерно 600 килобайт, и это не ограничение) специалистами из Кембриджского университета. Но об этом вы можете прочитать в других статьях.
Источники и ссылки:
Википедия: все термины смотрим там. Однако доверяй да проверяй — слишком много явно неадекватных числовых значений, например, скорость копирования в данной статье оценена с очень большой погрешностью из-за недостатка информации.
Документальные видео и фильмы:
«Создание синтетической жизни» 2010 — редактирование ДНК кода на компьютере, чтение и запись в живые клетки, при этом были выжившие клетки (группа доктора Крейга Вентера).
«BBC: Клетка» 2009, «BBC: Эволюция жизни» — в некоторых сериях показан опыт с дрозофилами, которые наглядно показывают, как гены отвечают за расположение частей тела.
«Внутренняя жизнь клетки» видео 8 минут на youtub — без лишних слов показано выполнение «навигационной программы»…
UPD: Эта статья распространяется на условиях лицензии Creative Commons CC-BY-NC с 15 февраля 2014.
Французские ученые из Института Садрона успешно закодировали и затем прочитали слово Sequence (оно было представлено в ASCII-коде) с помощью последовательности синтетических полимеров. Таким образом, они доказали, что в молекулах полимеров можно хранить информацию, и занимать она будет в 100 раз меньше места (физического), чем на обычных жестких дисках.
/ Flickr / steve p2008 / CC
Чтобы закодировать информацию в полимеры, используются два разных типа мономеров («битов»), содержащих фосфатные группы. Первый тип обозначает единицу, а второй — ноль. Через каждые восемь мономеров идет молекулярный разделитель NO-C (сепаратор), отмечающий байт.
Чтобы расшифровать информацию, каждый байт сперва «отделяется» в месте расположения сепаратора. После этого фосфатные связи между мономерами уничтожаются, а сами мономеры идентифицируются с помощью масс-спектрометра.
Сейчас на то, чтобы закодировать и прочитать информацию, уходит несколько часов. Но по мнению ученых, проблема решаема — для этого нужно автоматизировать синтез полимеров и анализ последовательностей.
Следующей целью ученых является создание первой «молекулярной дискеты» — молекулы большего размера. Она сможет хранить несколько килобайт информации, например страницу текста.
Отметим, что другая группа европейских ученых также занимается разработкой биокомпьютеров и через 5 лет собирается представить решение на базе белков миозина и кинезина. Он будет работать, как и квантовые компьютеры, по принципу параллельных вычислений. При этом разработчики планируют, что «белковый» компьютер превзойдет по производительности квантовые машины.
Однако исследователи из Института Садрона считают, что их разработка лучше приспособлена для массового применения, так как работать с синтетическими полимерами проще, чем с биологическими. Подробнее об их проекте можно почитать в статье для Nature Communications.
/ Flickr / igemhq / CC
Как создать молекулярный компьютер
До сих пор теплоперенос нельзя было измерить, не говоря уже о том, чтобы его контролировать. Но группе ученых из США, Японии, Германии и Южной Кореи удалось это сделать. В ходе экспериментов ученые поняли, что теплопроводность на молекулярном уровне изменяется совсем не так, как в макромире. Если в «нашем мире» она увеличивается по мере роста толщины материала, а электропроводность при этом уменьшается, то в наномасштабе при нарастании толщины проводимость электричества остается той же.
Таким образом, можно создавать довольно толстые «нанопровода» для отвода лишнего тепла, которое образуется в ходе молекулярного взаимодействия. Это не позволит молекулам разрываться и даст возможность проводить высокоэффективные вычисления. Осталось лишь подтвердить данные опыта и собрать молекулярный компьютер, основанный на новой технологии.
Еще больше интересных материалов вы можете прочитать в нашем новостном канале в Телеграм.
В феврале 2021 года первому компьютеру современного типа исполнилось ровно 75 лет. Речь идет о компьютере ENIAC, про существование которого стало известно 15 февраля 1946 года. Конструкция весила 27 тонн и в переводе на нынешние деньги стоила 7,2 миллиона долларов США. Изначально компьютер предназначался для использования в военных целях, для быстрого вычисления траектории движения баллистических ракет и других видов снарядов. Однако, при необходимости его можно было настроить для решения других задач. Занимались этим программисты, которыми в большинстве случаев были женщины. Работа с компьютером ENIAC требовала особой сноровки и со стороны выглядела очень странно. Если вкратце, программисты ходили по комнате, переключали провода, крутили регуляторы и так далее. Но давайте узнаем об этом компьютере чуть больше? Без сложных терминов — только самое главное и интересное.
Компьютер ENIAC и первые программисты в истории человечества
Альтернативные решения
Помимо «полимерных» компьютеров, активно разрабатываются компьютеры на основе квантов и ДНК. Все они призваны заменить обычные кремниевые чипы, чтобы более рационально хранить данные и повысить производительность вычислений.
Как считает Дан Николау (Dan Nicolau), профессор факультета биоинженерии Университета Макгилл в Монреале, практически все по-настоящему интересные математические проблемы нашего времени не могут быть решены с использованием современных компьютеров.
Квантовые компьютеры для вычислений используют явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. Если обычный компьютер для взлома пароля из четырех цифр будет искать их методом перебора, то для квантового компьютера с достаточным количеством кубитов нужный пароль — это одно из его возможных состояний.
Таким образом, ряд задач квантовые машины решают «моментально». Самый производительный квантовый компьютер на данный момент имеет 51 кубит.
Однако у квантовых компьютеров есть две существенные проблемы. Для работы им нужны: температура, близкая к нулю по Кельвину, вакуум и отсутствие электромагнитного излучения. Кроме того, если кубиты взаимодействуют друг с другом, то время их жизни значительно сокращается.
Существуют также адиабатические компьютеры D-Wave с более чем 1 000 кубитов, способные оперировать 21000 вероятными результатами одновременно. Но их нельзя назвать классическими квантовыми компьютерами, так как они не используют принципы квантовой запутанности. Их применяют для распознавания образов, исследования трехмерной формы белка по известной последовательности аминокислот и решения задач дискретной оптимизации.
Что касается других альтернатив кремнию, то ДНК-компьютеры разрабатывают уже больше 20 лет. В 1994 году Леонард Адлеман (Leonard Adleman) продемонстрировал, что посредством ДНК можно эффективно решать классическую задачу о коммивояжере. Сейчас над созданием ДНК-компьютера активно работает Microsoft. В частности, ей уже удалось поместить на ДНК-носитель 200 МБ данных.
Кодирование ДНК выполняется последовательностями четырех азотистых оснований: цитозина, гуанина, аденина и тимина. Когда данные закодированы, молекула синтезируется. Она может хранить информацию несколько тысяч лет.
P.S. Тройка материалов по теме высокой производительности из нашего корпоративного блога:
Американский ученый Говард Эйкен взялся за разработку машины, в основе которой были использованы смелые идеи XIX и технологии XX века. Заручившись поддержкой командования военно-морского флота США и финансово-техническим обеспечением от фирмы IBM, Эйкен создал первый американский компьютер — Марк I. В качестве переключающих устройств в машине Эйкена использовались простые электромеханические реле; инструкции программ обработки данных были записаны на перфоленте. Данные вводись в машину в виде десятичных чисел, закодированных на перфокартах фирмы IBM.
Американский ученый Говард Хэтауэй Эйкен (англ. Howard Hathaway Aiken, 1900 — 1973 г.г.) родился в Хобокене, штат Нью-Джерси, США. Этот человек обладал чрезвычайно широким кругозором и интересовался различными научными направлениями, в круг которых входили физика, математика и множество естественных наук. Эйкен закончил военно-инженерную школу города Индианаполис и получил степень бакалавра. В университете штата Висконсин он успешно защитил диплом по направлению «электротехника». Но останавливаться на полпути Эйкен не собирался и продолжил свое обучение поступив в 1939 году в магистратуру чикагского университета. И вскоре он перешел в знаменитый Гарвард, чтобы там завершить обучение. Эйкен получил степень доктора философии по физике в 1939 году и приступил к работе над диссертацией, посвященной методикам решения нелинейных дифференциальных уравнений. Примерно в то время у него и возникла идея создать автоматическое вычислительное устройство, которое могло бы избавить от необходимости проводить утомительные математические расчеты. В процессе размышлений и разработки конструкции нескольких простых вычислителей, каждый из которых мог бы решать определенную задачу узкой специализации, Эйкен пришел к выводу о необходимости создания универсального устройства, способного осуществлять любые математические расчеты. Загоревшись этой идеей, он заручился поддержкой Гарвардского университета и одной из крупнейших американских коммерческих компаний тех времен — International Business Machines (IBM). Ученый приступил к практической реализации своих замыслов. Занимая должность инженера IBM, Эйкен руководил работами по созданию первого американского компьютера Марк I.
Говард Эйкен наблюдает за работой Марк I (1944 г.)
К работе над компьютером Эйкена вдохновила разностная машина Чарльза Бэббиджа. Описание этой аналитической машины, которое осталось от самого Бэббиджа, оказалось достаточно основательным и полным.
Как в последствии заявлял Эйкен:
разностная машина Бэббиджа
После плодотворной работы Эйкену удалось воплотить в реальность свою идею. Первоначально проект имел название «Automatic Sequence Controlled Calculator» (ASCC), то есть — «вычислительное устройство, управляемое автоматическими последовательностями». Но на слуху первый американский компьютер закрепился под именем «Гарвардский Марк I».
Реализация проекта
Процесс создания машины Марк I проходил спокойно, гладко и без эксцессов. В начале 1943 года устройство успешно прошло первые испытания и было перенесено в Гарвардский университет. А вот отношения между создателем устройства и его спонсором были далеко не так гармоничны. Марк I стал причиной разногласий Эйкена с главой компании IBM Томасом Уотсоном.
Томас Уотсон — председатель совета директоров IBM
Эти два человека обладали сильным, но невероятно упрямым характером. Они оба любили делать все исключительно по-своему. Прежде всего их мнения разошлись из-за внешнего вида машины. Марк I достигал в длину почти 17 метров, а по высоте превышал 2,5 метра. Он содержал около 750 000 деталей, которые соединялись проводами общей протяженностью примерно 800 км. Можно представить, каким монстром представлялась для инженера такая махина. Эйкену хотелось оставить открытыми внутреннее содержимое Марка, чтобы при необходимости специалисты могли видеть состав и работу устройства. Уотсону же, как главе компании и бизнесмену, хотелось сделать Марк I наиболее привлекательным для покупателей. Поэтому он активно настаивал на том, чтобы машину заключили в корпус из стекла и блестящей нержавеющей стали. В этом споре победил Уотсон. Собственно и все последующие разногласия решались также в его пользу. Последнее слово оставалось за IBM, ведь компания финансировала разработку машины и могла диктовать собственные условия. Но Эйкен удалось «отыграться» на презентации Марка I перед прессой и общественностью в августе 1944 г. Рассказывая про устройство и процесс разработки, он едва упомянул о вкладе корпорации IBM в создание компьютера. А о самом Томасе Уотсоне не сказал ни слова. Естественно, это привело в бешенство главу компании.
Возмущению Уотсона не было предела, что он даже не побоялся резких высказываний в сторону Эйкена перед СМИ:
Вы не смеете так пренебрежительно относиться к IBM! Для меня эта компания значит не меньше, чем для вас, выпускников Гарварда, ваш университет!
Его сын и преемник Уотсон-младший говорил позже, что если бы Эйкен и Уотсон-старший жили в другом веке, то непременно бы стрелялись на дуэли и убили друг друга.
Военная служба
Вскоре после этого Уотсон на время передал Марк I в распоряжение военно-морского флота США. Там машину использовали для выполнения сложных баллистических расчетов, которыми руководил сам Эйкен. Марк I мог работать с числами длиной до 23 разрядов. На сложение и вычитание тратилось 0,3 секунды, а на умножение — около 3 секунд. Подобная скорость была необычной и даже потрясающей, хотя совсем незначительно превосходило показатели, изначально запланированы Бэббиджем. Марк I за один день проводил исчисления, на которые раньше уходило до полугода.
Эйкен с ученой Грейс Хопер и участниками команды ВМФ США, обслуживающими Марк I
Компьютер Марк I выглядел весьма впечатляюще. Дизайнерская задумка Уотсона реализовалась должным образом и сыграла свою роль — прозрачное стекло и сверкающая нержавеющая сталь привлекали внимание как со стороны прессы, так и со стороны технических специалистов. Кроме того, машину обслуживали морские офицеры, поддерживающие ее образцовую чистоту и порядок. Серьезные, деловые, они ходили вокруг Марк I отдавая друг другу честь. Как вспоминали гарварские ученые — создавалось такое впечатление, будто офицеры управляют машиной, стоя по стойке смирно. Вот только шум компьютера слегка портил идиллию — включающиеся и выключающиеся реле (3304 шт.) громко щелкали, управляя вращением валиков и шестеренок.
матрос, обслуживающий работу машины Марк I
Ссора с компанией IBM в лице ее директора не помешала Эйкену продолжить работу по созданию новых компьютеров. И уже в 1947 году он закончил «Гарвардский Марк II», в след за которым вышли «Гарвардский Марк III» (1949 год) и «Гарвардский Марк IV» (1952 год). В компьютере Марк III уже использовались отдельные электронные компоненты, а Марк IV был полностью электронным устройством. В машинах имелась память на основе магнитных барабанов. Кроме того, в «Марк IV» применялась ещё одна разновидность компьютерной памяти, основанная на использовании магнитных сердечников.
Поскольку Марк I приносил неоцененную пользу, неудивительно, что финансированием дальнейших разработок вычислительных машин занималось Министерство обороны США. Американские специалисты в области кибернетики очень сильно заинтересовались проектами Эйкена. Собственно Марк II был построен ученым специально для военно-морского флота, он стал первым на планете многозадачным вычислительным устройством: предусмотренные в его конструкции параллельные сумматоры позволяли одновременно выполнять несколько математических операций и передавать результат из одного модуля машины в другой.
Первые компьютер, такие как Марк I были основаны на электромеханических переключателях, широко применяющихся в те времена в технике телефонной связи. Когда переключатель находился в открытом состоянии, цепь была обесточена. Но если на обмотку железного сердечника подавался ток низкого напряжения (изображен красным на схеме), то в сердечнике создавалось магнитное поле, притягивающее один конец вращающегося на шарнире рычажка. В этот момент другой его конец сжимал контакты: цепь замыкалась и по ней начинал проходить электрический ток (изображен зеленым на схеме).
схема действия электромеханических переключателей
Обрабатываемые машиной числа хранились в специальных регистрах, реализованных в виде металлических зубчатых колес, которые приводились в движение специальным механизмом. Каждый регистр включал 24 колеса, из которых 23 использовались для представления самих разрядов числа, а 24-е — его знака. Помимо этого, каждый регистр имел устройство, позволявшее сохранять значения десятков и передавать результат вычислений в другой регистр. Всего архитектура Марк I насчитывала 72 регистра для обработки цифровых значений и 60 дополнительных регистров для хранения математических постоянных — в них при помощи системы переключателей вручную записывались неизменные в процессе вычислений константы. В составе Марк I находился основной математический блок, а также имелось несколько отдельных модулей, предназначенных для выполнения операций умножения, деления, подсчета степени числа, значения синуса и вычисления логарифма. В качестве операторского пульта была панель, содержащая 420 механических переключателей, не считая нескольких контрольных панелей, позволявших оператору управлять режимами работы машины. Аппарат потреблял около 160 киловатт мощности в процессе своей работы.
вид регистров Марк I
Настоящим технологическим новаторством было устройство, предложенное Эйкеном, которое предназначалось для программирования выполняемой счетной машиной последовательности операций. В качестве носителя информации изобретатель использовал перфоленту из диэлектрического целлулоида, в которой пробивались отверстия, расположенные в 24 параллельных рядах. Полученные данные разделялись на две категории: операционные команды, описывавшие, что должна делать машина в данный момент времени, и команды вычислений, управлявшие самими математическими операциями. Перфоленту, содержащую описание последовательности операций, можно было хранить отдельно от самого математического устройства и многократно использовать по мере необходимости. Таким образом, в вычислительной машине Марк I был впервые реализован принцип независимо хранимой программы. Данные с перфоленты считывались специальными контактными щетками, которые при попадании в отверстие замыкали электрическую цепь. После выполнения операции перфолента смещалась на одну позицию и подставляла под щетки новый ряд отверстий.
Грейс Хопер (1906-1992 г.г.)
Любопытно и то, что современный термин «баг» (от английского «bug» — «жучек»), обозначающий ошибку или сбой в программе, в те времена имел буквальное значение. В процессе работы вычислительные машины Марк I и Марк II достаточно сильно нагревались, так, что некоторые их узлы испускали неяркое свечение. На свет и тепло слетались всякие насекомые — мошкара, мотыльки, мелкие бабочки и т.д… Они забирались внутрь и часто вызывали короткие замыкания электрических схем. По одной из версий термин «баг» ввела в обиход сотрудница вычислительного центра береговой службы ВМФ США Грейс Хоппер. Она работала в команде Марк II. Позже эта женщина стала всемирно известным компьютерным аналитиком и программистом, а кроме этого получила за свои заслуги почетное звание контр-адмирала военно-морского флота.
Ей приписывают появление еще одного термина «debugging» («отладка»), обозначающего процесс исправления ошибок, допущенных программистом во время написания программного кода.
Грейс Хоппер описывала этот эпизод следующим образом:
В один из летних дней 1945 года в помещениях лаборатории стояла невыносимая жара, как вдруг неожиданно произошла аварийная остановка компьютера. Когда мы стали разбираться с проблемой, выяснилось, что сбой был вызван очередным мотыльком, замкнувшим накоротко контакты одного из тысяч реле. И как раз в этот момент к нам зашел офицер. Он поинтересовался, чем мы занимаемся. Мы ответили, что очищаем компьютер от насекомых (debuging). Этот термин прижился и с тех пор используется для обозначения поиска неисправностей в компьютере, в частности, в программном обеспечении
Около 16 лет Марк I работал на математическом поприще в Гарвардском университете. Он помогал составлять математические таблицы и решал самые разнообразные задачи, от создания экономических моделей до конструирования электронных схем компьютеров. Но успех его в полной мере не оправдал ожидания Уотсона. Методы разработки компьютера уступали более перспективным методам немецких и английских изобретателей. По сути, Марк I устарел еще до того, как его построили.
С момента создания самого первого компьютера технологии стали развиваться так стремительно, как ни развивалась ни одна другая отрасль. Сейчас вычислительные машины в современном понимании уже подошли к пику своего развития и если мы хотим и дальше развивать технологии, нам нужно что-то новое. И, возможно, ученые поняли, как создать компьютер нового типа.
Что такое молекулярный компьютер
Основное отличие молекулярного компьютера от классического заключается в способе обработки данных. Если в традиционных системах единицей данных является бит, то в молекулярных компьютерах ей является какая-либо молекула. И если бит имеет лишь 2 состояния — единицу и ноль, то молекула, в отличие от него, может находиться в двух этих состояниях. Когда бит может иметь информацию (единица) или не иметь ее (ноль), молекула может иметь множество таких позиций, так как она способна одновременно взаимодействовать со множеством других молекул и в рамках каждого взаимодействия результат будет разным. Грубо говоря, молекула может одновременно иметь как несколько «единиц», так и несколько «нолей». Это значительно ускоряет вычисления. Но есть одна проблема: теплоперенос.
«Тепло — это огромная проблема молекулярных компьютеров, потому что взаимодействие в таких системах — это цепочки атомов. Когда молекула нагревается, атомы очень быстро вибрируют, и цепь может порваться», — говорит один из авторов работы профессор Университета штата Мичиган Эдгар Мейхофер.
Мощность компьютера ENIAC
По мощности он был слабее даже современных калькуляторов. Но для тех времен его способности были поразительными. До его создания люди проводили манипуляции с числами самостоятельно и на это уходило много времени. Но компьютер ENIAC мог выполнять по 357 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду. Как можно понять, конструкция была очень сложной, поэтому компьютер часто давал сбои. Сначала они возникали два раза в день, но потом разработчики установили более надежные комплектующие и количество сбоев сократилось до одного раза в два дня.
Процесс программирования компьютера ENIAC
В компьютер ENIAC было невозможно устанавливать программы, как на нынешние ноутбуки и другие устройства. Поэтому для выполнения разных задач его приходилось настраивать заново. Для этого операторам приходилось тянуть провода к разным разъемам, крутить регуляторы и выполнять много других действий. В те времена этой работе даже не было официального названия. Но, по сути, операторы ENIAC были первыми в истории программистами. На программирование уходили недели, а на отладку — целые недели.
Настоящие видео с компьютером ENIAC
Некоторое время существование компьютера ENIAC держалось в секрете. Впервые о нем написали в газетах 15 февраля 1946 года. Так уж получилось, что устройство не использовалось долго. В 1955 году проект ENIAC был закрыт, потому что в мире появились компьютеры мощнее. Важно отметить, что более мощные компьютеры существовали и в момент создания ENIAC, просто факт их существования тщательно скрывался. Герой этой статьи считается первым современным компьютером потому, что его можно было настраивать на решение разных задач.
Ушедший XX век был удивительным временем, когда наука и технологии делали большие прорывы. Именно в это время начали появляться первые автомобили, самолеты, компьютеры и даже роботы. На нашем сайте есть довольно большая статья о самые первых роботах в истории человечества. Конечно, люди пытались создать похожие на человека устройства даже во времена Леонардо Да Винчи, но по-настоящему интересные роботы появились именно в прошлом столетии. О том, какими они были, можно узнать по этой ссылке.
История создания компьютера ENIAC
Разработка компьютера ENIAC была начата в 1942 году, в Электротехнической школе Мура, штат Пенсильвания. Ожидалось, что он сможет облегчить работу женщинам, которые вручную рассчитывали траектории полета баллистических ракет и других снарядов. Им нужно было учитывать положение огнестрельного оружия, силу ветра, температуру воздуха, скорость снаряда и многие другие параметры. Военным нужно было знать около 3000 траекторий полета снаряда. На расчет каждой из траекторий требовалось выполнить около 1000 операций. На это у каждой женщины уходило около 16 дней. В результате этих вычислений составлялись так называемые таблицы стрельбы, при помощи которых военные могли точно попадать по вражеским целям.
Компьютер ENIAC был разработан для быстрого составления таблиц. Для объяснения принципов работы этого устройства нужно написать огромную книгу, поэтому не будем в это углубляться и просто разберемся, как выглядел ENIAC и как выглядела работа с ним. Как и говорилось выше, он весил 27 тонн и стоил 7,2 миллиона долларов США. Конструкция имела U-образную форму, ее длина равнялась 24 метрам и все это добро занимало площадь 167 квадратных метров. В техническое оснащение входило 17 468 ламп, 7200 кремниевых диодов, 10 000 конденсаторов и тысячи других компонентов. Сверху находилась вентиляционная система для отвода тепла. В общем, это был огромный шкаф с сотнями светящихся лампочек.
Комната с компьютером ENIAC
Почему компьютеры больше не эффективны?
На самом деле, современные «машины» еще способны на многое, но для этого мы должны улучшать их количественно, а не качественно. То есть объединять в огромные кластеры. И в конечном итоге мы придем к тому, с чего начали: компьютеры для обработки задач будут представлять собой огромные «шкафы» вроде того, что изображен на иллюстрации ниже.
Кроме того, небезызвестный «Закон Мура» гласит, что число транзисторов в интегральной схеме удваивается каждый два года. Увеличив число транзисторов, мы увеличим и число операций, которые они будут совершать в 2 раза. А значит они обработают в 2 раза больше информации. Говоря простыми словами, это вдвое увеличивает вычислительную мощность.
Однако в конечном итоге развитие микроэлектроники подошло к порогу, за которым наращивать количество транзисторов уже невозможно. Именно поэтому нужно создать принципиально новую систему.
Читайте также: