Računari su nekada bili toliko veliki da su zauzimali cele prostorije. Danas su svuda, u telefonima, pametnim satovima, automobilima, televizorima i igračkama. Održavaju električne mreže, analiziraju naučne podatke i predviđaju vremensku prognozu. Moderan svet kakav znamo ne bi postojao bez njih. Koliko ste zapravo u toku sa današnjom tehnologijom? Koliko brzo računari napreduju i da li možemo sve to da ispratimo? Naučnici se stalno trude da naprave brže računare i inteligentnije programe. Na raspolaganju im je više od jednog veka inovacija.
Prvi pouzdani elektronski digitalni računari su koristili elektronske cevi, što ih je činilo brzim, ali su zauzimali puno prostora i inženjeri su morali da ručno menjaju konfiguraciju za svaki novi program. Naredni veliki korak u evoluciji usledio je pojavom tranzistora. To je poluprovodnički element namenjen da zameni elektronske cevi koje su bile sporije, manje efikasne, skuplje i većih dimenzija. Kasnije su razvijena i integrisana kola, na kojima su se tranzistori i ostali elementi kola proizvodili zajedno na jednom čipu.
Računari čuvaju podatke i međusobno komuniciraju bitovima – nizom jedinica i nula. Hardverski se to postiže postavljanjem tranzistora u položaj isključeno ili uključeno. Kombinovanjem tranzistora stvara se logičko kolo. Ta logička kola zajedno odrađuju neku računicu. Jedan kompjuterski čip može sadržati milione logičkih kola. Dakle, što je više logičkih kola, tj. što je više tranzistora, to je računar moćniji. Gordon Mur, suosnivač Intel-a, napisao je 1965. članak o naguravanju što više komponenti u integrisanom kolu. Rekao je da se broj komponenti (uglavnom tranzistora) duplirao svake godine. Mur je izneo tri faktora odgovornih za taj rast: smanjivanje tranzistora, povećanje čipova i pametnije dizajniranje kola (kao što je manje neiskorišćenog prostora). Očekivao je da se taj rast nastavi decenijama. Njegovo predviđanje je bilo tačno i taj trend je nazvan Murov zakon.
Procesor u računaru – Pixabay
Danas, Murov zakon više ne važi. Negde od 2004. godine, dupliranje se dešava manjom stopom. Ubacuje se više tranzistora u čipove svake generacije, ali te generacije dolaze sve ređe. Istraživači gledaju druge načine za poboljšanje računara: bolji tranzistori, specijalizovani čipovi, novi koncepti čipova i poboljšanje softvera. Današnji uređaji sadrže različite specijalizovane čipove kao što su čipovi za Veštačku inteligenciju, grafiku ili komunikaciju. Oni mogu da izvrše zadatke brže i efikasnije nego čipovi za generalnu upotrebu.
Potraga za brzinom
Nova vrsta računara koja koristi kvantno računarstvo mogla bi jednoga dana naći primenu za neku specijalizaciju. Kvantni računari koriste dva zakona kvantne mehanike – superpoziciju i kvantno sprezanje. Superpozicija je osnovni fenomen kvantne mehanike i to je sposobnost čestica da ne moraju da postoje samo u jednom stanju, već su u kombinaciji stanja sve dok se ono ne izmeri eksplicitno. U kvantnom sistemu informacija nije predstavljena kao klasičan bit već u obliku kvantnog bita. Za razliku od običnog bita, koji može biti ili jedan ili nula, kvantni bit ima mogućnost da bude istovremeno i jedno i drugo. Sa druge strane kvantno sprezanje je međusobna povezanost čestica, gde promena jedne takođe utiče i na drugu česticu, i to ne zavisi od njihove udaljenosti. Sve to znači da sistem kvantnih bitova može da predstavlja i obrađuje mnogo više mogućnosti – sve kombinacije jedinica i nula odjedanput. To omogućava brza izračunavanja koja bi inače trajala milionima godina.
Kvantni računar – Wikimedia Commons
Problem kvantnih bitova je da su vrlo krhki u stanju superpozicije ili kvantnog sprezanja, pa mala promena temperature im može poremetiti stanje. Zato je neophodno da superprovodne žice, u kojima se čuvaju kvantni bitovi, budu na temperaturi koja je delić stepena iznad apsolutne nule, oko -273 stepeni Celzijusa, kako bi se sprečio spoljašnji uticaj toplih atoma. Pored toga, ovi sistemi rade samo u malim vremenskim intervalima, a čitanje rezultata može poremetiti podatke.
Snaga kvantnih računara eksponencijalno raste sa brojem kvantnih bitova. Za sada, postojeći kvantni računari imaju mali broj kvantnih bitova, ali velike kompanije, kao što su IBM, Google, D-Wave, Microsoft, HP, rade na njihovom unapređivanju i razvoju.
Kvantni računari imaju nekoliko potencijalnih primena: za naučna izračunavanja, mašinsko učenje, bezbednost i kriptografiju, optimizacija stvari kao što su raspored vozova. Ali najverovatnije neće postati računari za generalnu upotrebu.
Novi koncepti
Postoje drugi načini da se ubrzaju ne samo specijalizovani čipovi, već i oni za generalnu upotrebu.
Jedan od načina je superprovodnost, u kojoj čipovi rade na dovoljno niskim temperaturama da se eliminiše električna otpornost. Sa druge strane postoji teorija o reverzibilnom računarstvu, gde su bitovi ponovo korišćeni umesto što su raspršeni u obliku toplote. Ideja dolazi od osnovnih zakona termodinamike: energija se ne može stvoriti ni uništiti, a sva energija koja nije pretvorena u rad, pretvara se u toplotu. Fizičar iz IBM-a Rolf Landauer kaže da kada logičko kolo uzme 2 bita za unos, a na izlazu izbaci 1 bit, u tom procesu uništi 1 bit, izbacujući ga u obliku toplote. Kada milijardu tranzistora radi milijardu ciklusa u sekundi, potrošena toplota se nakuplja, pa je računaru potrebna struja i za operacije i za hlađenje. Majkl Frenk, naučnik za računare napisao je 2017, „Konvencionalni računar je u stvari skupa grejalica koja odrađuje neki račun kao sporedni efekat“.
Ako bi konstruisali reverzibilni računar, on bi bio u mogućnosti da odrađuje simulacije unapred ili unazad sa bilo koje tačke u programu. I bio bi brz jer ne bi izbacivao toplotu. Takav računar mora biti sastavljen od logičkih kola koja ne uništavaju informaciju. U suštini, ako imate kolo sa 2 bita na ulazu, ono mora proizvesti 2 bita na izlazu, i samim tim bi bilo moguće dobiti nazad ulaz na osnovu izlaza.
Kombinacija reverzibilnog i superprovodnog računarstva bi dovela do izuzetno efikasnih računara, ali za sada ne postoji način da se to postigne.
Napredak softvera
Naučnici nastavljaju da rade na poboljšanju hardvera, ali dosta toga se može izvući iz postojećih elemenata i arhitektura samom optimizacijom koda.
Kao primer, u članku za „Science“ magazin 2020, istraživači su studirali problem množenja 2 matrice. Računica je bila više od 60 000 puta brža u poređenju sa standardnim kodom u jeziku Python, kada je tim izabrao efikasan programski kod i optimizovao kod za taj hardver.
Ljudi, uključujući i Mura, su predviđali kraj Murovog zakona decenijama. Napredak se možda usporio, ali ljudska inovacija je nastavila da drži tehnologiju u pokretu velikom brzinom.