Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Абсолютные пределы ограничения скорости вычислений




Максимальная скорость исполнения логической операции

Энергетические пределы компьютерных вычислений

Чтобы исследовать физические пределы компьютерных вычислений, рассчитаем предельную вычислительную мощность компьютера с массой в 1кг и занимающего объем 1л, соответствующий примерно размеру обычного на сегодняшний день ноутбука. Такой компьютер, работающий на грани пределов скорости и памяти, разрешенных физикой, будем называть "совершенный компьютер".

Для начала рассмотрим, какие законы физики ограничивают скорость вычислений такого устройства. Как будет показано, чтобы совершить логическую операцию за время Δ t, требуется среднее количество энергии E≥π ħ Δt/2. Как следствие, система со средней энергией Е может производить максимум 2E/π ħ логических операций в секунду. 1 килограммовый компьютер имеет среднюю энергию E=mc2=8.9874·1016 Дж. Следовательно, совершенный компьютер может производить максимум 5.4258·1050 операций за секунду.

Для удобства будем считать наш ноутбук цифровым компьютером. Цифровой компьютер производит вычисления, представляя информацию в бинарных цифрах или битах, которые могут принимать значения 0 или 1, а затем компьютер обрабатывает эту информацию, производя простые логические операции, такие как AND, NOT и FANOUT.

Как быстро цифровой компьютер может производить логическую операцию? В течение такой операции биты в компьютере, где производится операция, проходят от одного состояния к другому. Проблема того, сколько энергии требуется для обработки информации, была впервые исследована в контексте теории информации. Показано, что законы квантовой механики определяют максимальную скорость, с которой система с разницей энергии Δ Е может двигаться из одного различимого состояния в другое. В особенности, правильная интерпретация энергетически-временного принципа неопределенности Гайзенберга Δ Е Δt≥ћ в том, что квантовое состояние с разницей энергии Δ Е требует по меньшей мере время Δt=πћ/2ΔE чтобы достичь различимого состояния.

Сейчас мы получим первый физический предел компьютерных вычислений, - предел, связанный с энергией. Предположим, что имеется определенное количество энергии Е, размещенной в логических ячейках компьютера. Чем больше энергия в ячейке, тем быстрее она производит логическую операцию. Общая сумма логических операций за секунду равна сумме по всем ячейкам логических операций за секунду на одну ячейку. Таким образом, компьютер может производить не больше чем 2E/πћ операций за секунду. Другими словами, диапазон, в котором компьютер может считать, ограничен его энергией.

Рис.1. Предельный ноутбук.

Хотя его вычислительный механизм находится в действительности в очень специфичном состоянии с нулевой энтропией, в то время как он производит вычисление, которое использует все его ресурсы энергии и памяти, внешнему наблюдателю кажется, что компьютер находится в тепловом состоянии ~109 градусов Кельвина. Предельный ноутбук выглядит как маленькая часть Большого Взрыва.

 




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-06; Просмотров: 1028; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.012 сек.