пятница, 6 сентября 2013 г.

Современные ЭВМ

Для того, чтобы мы могли насладиться видом луговых трав, увидеть его разноцветье, оценить всю красоту окружающего мира, наш глаз должен преобразовать свет в энергию. Основную роль в этом процессе реорганизации играет сетчатка нашего глаза – это своеобразный преобразователь света в электрическую энергию.
В переустройстве зрительной информации в электрические импульсы, которые с высочайшей точностью несут в наш мозг данные о форме, размерах, цвете, окружающих предметах играет родопсин – это особый белок, входящий в состав сетчатки нашего глаза.
Очень похожий белок был обнаружен у бактерий, живущих в соленых озерах. Было установлено, что с помощью него бактерии преобразовывают в необходимую им энергию солнечный свет. Специалистами был выведен этот белок в чистом виде. При его исследовании было выявлено, что сходство этих двух белков почти полное. Он, так же, разлагается на свету и восстанавливается в темноте. При этом меняет свет, а при восстановлении воссоздает первоначальную окраску. Из-за этого сходства он и получил свое название – бактериородопсин.  
Эта находка имеет огромное значение для науки, ведь процесс добычи полупроводникового материала, его очистки теперь можно заменить использованием материала напрямую, беря его у природы.
Дальнейшие исследования открыли  перспективы использования бактериородопсин для бессеребрянной фотографии. Биофизики получили из специально обезвоженного материала тонкие пленки, напоминающий светочувствительный слой обычной серебряной. Изображение, полученное на бактериородопсине можно стирать и записывать неоднократно, в отличие от серебряной фотоэмульсии. Тут и качество изображения гораздо выше: каждая частичка меньше в сотни раз частиц фотоэмульсии. Изображение получается более плотным, а это говорит еще и об объеме записываемой информации.
Изображение – это тоже информация, а на чем она записана – значение не имеет. Дальнейшие исследования этого материала помогли отыскать перспективный материал для памяти вычислительной техники. Хочется отметить, что все разновидности носителей имеют свой срок жизни и со временем открываются новые, более совершенные. Однако, стоит отметить, что плотность записи должна быть более плотной, тогда с бактериородопсином не смогут соперничать даже магнитные диски памяти. Исследования оптических свойств помогли отыскать перспективный материал для памяти вычислительных машин. Память – это один из более важных узлов в компьютере, там машина хранит программу вычислений, а так же промежуточные расчеты. Еще один не менее важный узел – процессор, оперирующий цифрами.
Само собой возникает вопрос – а могут ли тут работать органические детали? Дело в том, что нервные клетки, по которым происходит поступление сигналов в мозг, от рецепторов работают аналогично ячейкам ЭВМ. Каждый нейрон может иметь только 2 состояния – это проводимость и непроводимость электрических импульсов, или же попросту включен или выключен. Однако, для того, чтобы нейрону включиться, нужна тысячная доля секунды, а выключиться вдвое больше времени - примерно три тысячных доли секунды. Нас вполне устраивает такая скорость в жизни, но для вычислительных машин она очень мала. Современная ЭВМ за это время успевает проделать три тысячи операций. С современной техникой тягаться живой клетке не по силам, для этого и был придуман компьютер.
В настоящее время мало кто не слышал о моделировании. Это, к примеру, если взять конденсатор, батарейку и резистор, и продолжая заряжать конденсатор, при этом наблюдать за потенциалом с помощью осциллографа, то на экране мы увидим экспоненту. Зная скорость развертки, при помощи такой модели мы сможем без сложных вычислений решить уравнение связывающее емкость конденсатора, напряжение батарейки, величину сопротивления и время. Такая модель имитирует процесс теплопередачи – эта задача не будет сложной для компьютера. Но, ведь есть задачи и более сложные – например исследования процессов горения или явлений, происходящих в живых организмах, законов, по которым идет эволюция.
Такие и многие другие процессы описывают сложнейшие нелинейные уравнения, а для их решения вычислительной машине нужно обработать такое количество информации, что это может занять годы. Поэтому пользуются только приблизительными решениями, но и более точные ответы получить можно, моделируя сами задачи.
Биофизикам удалось синтезировать ряд белковых соединений, которые способны передавать им импульсы возбуждения. Можно представить себе, как выглядит «живой» процессор – на небольшой подложке нанесены миллионы микроскопических белковых частиц подобно транзисторам в микросхеме, и если возбудить хотя бы одну, то сигнал сразу же перекинется и на соседние и так далее, до тех пор, пока не исчезнет поддерживающая их энергия белков. По мере затухания, белковый процесс можно заменить другим, так же как батарейку в электронных часах. Управление процессом – химическое воздействие различными веществами, можно, к примеру, получить волну, развитие которой описывается теми же уравнениями. В общем, можно моделировать нелинейные задачи, решения которых получаются в считанные секунды. Со временем еще открываются новые соединения, которые могут работать в процессорах-моделях и теперь можно говорить о более точных цифрах, получаемых в процессе вычислений.
Каждая частица на подложке имеет определенный диаметр (50 ангстрем) и занимает площадь в 1000 раз меньшую, чем транзистор на подложке интегральной микросхемы. В образовании волны за одну секунду вовлекаются 10¹² частиц, при пересчете на скорость цифровых вычислений машины получается, что за одну секунду времени машина совершает миллион операций. И это не конечная цифра, так как это еще зависит от химического состава белков.
Ученым удалось сделать волну зримой, окрасив ее в цвет с помощью оптического устройства, что здорово облегчило задачу их вычислений.
Оптика – это не единственное, в чем нуждаются биологические компьютеры, еще нужны электроника для вычислений, блок памяти, генераторы, дисплей и т.д. На сегодняшний момент ученые уже говорят о гибридах техники и биологии, так сказать живого и не живого. На настоящий момент работа по созданию живых вычислителей находится практически на начальном этапе.