Современный высокоскоростной электронно-лучевой процессор квантового компьютера
Основу всех современных компьютеров и операций вычисления составляет движение свободных (не связанных с атомами) электронов по проводникам и полупроводникам через прерыватели тока. Прерыватели тока объединены в ячейки. Каждая ячейка состоит из двух управляемых прерывателей тока, образуя так называемые биты (bit). Если один из этих сдвоенных прерывателей пропускает электрический ток по своей цепи, то другой в это время разрывает свою электрическую цепь и не пропускает электрический ток. Когда выключатель, пропускает ток, этот процесс мы обозначаем единицей (1), а когда второй выключатель не пропускает ток, этот процесс мы обозначаем нулем (0). Выключатели в таких ячейках могут одновременно менять положение 1 на 0, а 0 на 1. Ячейки из битов собираются в длинные цепочки, осуществляющие счет электрических импульсов, поступающих на вход цепочки. Результат этой операции есть не что иное, как суммирование импульсов. Эта сумма обозначается кодом, состоящим из нулей и единиц. Из множества таких ячеек, т. е. из сдвоенных выключателей, собраны все современные компьютеры и другие вычислительные устройства.
Чем больше таких ячеек, тем более сложные задачи может решать компьютер. На этом основана двоичная система вычислений всех современных компьютеров. Для осуществления различных алгоритмов решения задач компьютер снабжается электронными устройствами, осуществляющими логические операции.
В первой половине XX в. были созданы огромные компьютеры, в которых в качестве выключателей использовались вакуумные электронные лампы. Но они так и не смогли обеспечить реализацию многих перспективных проектов ни в области вычислительной математики, ни в области управления сложными процессами. Стало очевидным, что вычислительную электронную технику на вакуумных лампах необходимо совершенствовать. На смену вакуумным лампам пришла полупроводниковая техника. Она позволила значительно снизить габаритные размеры электронных устройств, снизить потребление электроэнергии, а главное — позволила увеличить скорость и объемы вычислений.
Скорость вычислительных операций зависит от скорости переключения выключателей, от скорости движения сигнала (тока) по проводникам, соединяющим их, от размеров самих выключателей и от сложности задачи. Чем короче проводники внутри компьютера, тем быстрее работает компьютер. Поэтому все разработчики компьютерной техники сосредоточились на миниатюризации элементов электронных схем. Миниатюризация обеспечивает скорость вычислений и уменьшение размеров компьютера.
Современная электронная промышленность вышла на небывало малые размеры элементов электронных схем — на уровень 40 нм, что позволило создать большое количество различных интегральных схем и других систем на кристалле, которые находят широкое применение в цифровом телевидении, авиации и космическом приборостроении. Однако в научных лабораториях ведутся работы по созданию технологий, обеспечивающих изготовление микропроцессоров с минимальными размерами элементов на уровне 28 нм. Эта миниатюризация элементов интегральных схем позволит еще больше повысить производительность вычислений и увеличить объемы вычислительных операций.
Продолжение статьи читайте в мартовском номере журнала "Наука и техника" за 2019 год. Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.
На нашем сайте вы можете приобрести уникальные монографии-фотоальбомы Анатолия Верстюка, посвященные эскадренным миноносцам. В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой.
