Πανεπιστήμιο Αιγαίου Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων. Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών και Επικοινωνιών

Transcript

1 Πανεπιστήμιο Αιγαίου Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών και Επικοινωνιών 1. Τεχνολογία Υπολογιστικών Συστημάτων 2. Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών 3. Αρχές Ηλεκτρονικής Νίκος Κονοφάος Επίκουρος Καθηγητής Σάμος 2011

2 Διάρθρωση Διαλέξεων Εισαγωγή, Ιστορικά στοιχεία. Σημερινή κατάσταση, οι υπολογιστές σήμερα: Δομικά στοιχεία, Τεχνολογία, Εξελίξεις Νέες τάσεις, Νανο-Υπολογιστές: Ηλεκτρονικοί (Electronic) Χημικοί και Βιοχημικοί (Chemical and Biochemical) Μηχανικοί (Mechanical) Κβαντικοί (Quantum). Οπτικοί Υπολογιστές Το μέλλον Συμπεράσματα.

3 ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΦΑΝΤΑΣΙΑ ΔΙΑΣΗΜΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΣΕ ΤΑΙΝΙΕΣ ΚΑΙ ΜΥΘΙΣΤΟΡΗΜΑΤΑ HAL ΟΔΥΣΣΕΙΑ ΤΟΥΔΙΑΣΤΗΜΑΤΟΣ The Engine, Gulliver's Travels. Multivac (Isaac Asimov) Alpha-60 (Alphaville,1965) Alfie (Barbarella,1968) MU-TH-R 182 Mother (Alien 1979) The Matrix (The Matrix series 1999.)

4 Τι είναι ένας υπολογιστής; Τι είναι ένας Ηλεκτρονικός υπολογιστής; Γιατί και πώς δουλεύει με τους τρόπους που γνωρίζουμε; Από τι αποτελείται; Πώς κατασκευάζεται; Γιατί συνεχώς οι υπολογιστές γίνονται μικρότεροι, και κάνουν περισσότερα πράγματα;

5

6 Ιστορικά στοιχεία. Πριν δούμε το μέλλον, ας ρίξουμε πρώτα μια ματιά στο παρελθόν.

7 Άβαξ 14 ος αιώνας π.χ. Απλό υπολογιστικό σύστημα

8 Σύνθετο αναλογικό υπολογιστικό σύστημα (1 ος αι. π.χ.)

9 PASCAL (1623) Το 1822, ο Άγγλος καθηγητής Μαθηματικών Charles Babbage ( ), έπεισε την Βρετανική κυβέρνηση να χρηματοδοτήσει τα σχέδιά του για την κατασκευή μιας μηχανής που θα μπορούσε να υπολογίζει τους λογαριθμικούς πίνακες. Με την κατασκευή της Αναλυτικής Μηχανής (Analytical Engine) το 1833, οι υπολογιστές παίρνουν την μορφή μηχανών γενικής χρήσης.

10 ENIAC 1946 Υπολογιστής που χρησιμοποιήθηκε για το πυρηνικό πρόγραμμα και Υπήρχε δυνατότητα επαναπρογραμματισμο ύ.

11 ALTAIR (1975) IBM (PC)1981 MACINTOSH (1984)

12 Σημερινή κατάσταση Υπερυπολογιστές (Supercomputers) 1. Υπερυπολογιστές (Supercomputers) 2. Μεγάλα Συστήματα (Mainframes) 3. Σταθμοί εργασίας (Workstations) 4. Μικροϋπολογιστές (Microcomputers) 5. Μικροελεγκτές (Microcontrollers) Μεγάλα Συστήματα (Mainframes) Workstation: Sun Ultra450 microcomputer Personal Digital Assistant

13

14

15

16 ΕΠΙΠΕΔΑ ΜΕΛΕΤΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Top-down ΕΠΙΠΕΔΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΔΙΑΤΑΞΗΣ Bottomup ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ

17 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Το Σύνολο των Τεχνικών που χρησιμοποιούν τις Μεταβολές Ηλεκτρικών Μεγεθών (Ηλεκτρομαγνητικών Πεδίων, Πληθυσμών Φωτονίων και Ηλεκτρικών Φορέων) για να συλλάβουν, να διαβιβάσουν και να εκμεταλλευτούν μια Πληροφορία. ΑΤΟΜΟ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΠΛΑΚΕΤΑ

18 Η πληροφορία μπορεί να είναι άμεσα αντιληπτή από εμάς, όπως μια φωνή ή μια εικόνα μπορεί όμως και να την αντιλαμβανόμαστε με την βοήθεια οργάνων που εμείς έχουμε επινοήσει και κατασκευάσει όπως το ραδιόφωνο, η τηλεόραση ή και ακόμα πιο εξελιγμένες συσκευές όπως το radar ή οι δορυφόροι. Η πληροφορία, (το μήνυμα) μπορεί να είναι δημιούργημα του ανθρώπου όπως στις διάφορες τηλεπικοινωνίες, μπορεί όμως να είναι ένα μήνυμα από κάποιο φυσικό φαινόμενο, μικροσκοπικό ή μακροσκοπικό, όπως για παράδειγμα το ράδιο-αστρονομικό μήνυμα των εκπομπών από τον Ήλιο ή μηνύματα από μικροσκοπικά φαινόμενα όπως η βιολογική πληροφορία που απασχολεί τα ιατρικά ηλεκτρονικά. Στις περισσότερες περιπτώσεις το μήνυμα παρουσιάζει θόρυβο (με την έννοια της παρασιτικής ακτινοβολίας) και είναι έργο της Ηλεκτρονικής να το «καθαρίσει» και να το αναδείξει. Ένα «μήνυμα» πάλι είναι πού οδηγεί ένα σύστημα αυτόματου ελέγχου (ΣΑΕ) για μια αριστοποίηση και αυτοματοποίηση τής παραγωγής στα σύγχρονα εργοστάσια όπως οι αυτοκινητοβιομηχανίες.

19 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ Παλαιότερα υπήρχαν οι ηλεκτρονικες δίοδοι, τρίοδοι κλπ λυχνίες κενού. Σήμερα βρίσκονται είτε στα μουσεία είτε σε ορισμένες συσκευές ισχύος. Αντικαταστάθηκαν από τις Διατάξεις Στερεάς Κατάστασης (Solid State Devices). Η λειτουργία τους βασίζεται στις ιδιότητες των ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ. Κατασκευάζονται ΔΙΑΚΡΙΤΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ή και ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ (MICROCHIPS). + ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ( R, L, C) ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ (ΔΙΑΚΡΙΤΑ ή ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ) ΒΑΣΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ: 1. ΔΙΟΔΟΙ 2. ΔΙΠΟΛΙΚΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΑΦΗΣ 3. ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΠΕΔΙΟΥ( FET). 4. ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ (LED, LASERS Κ.Α.). ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ: Η/Υ, ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ, ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ, ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ, ΜΕΤΑΦΟΡΕΣ, ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΚΑΘΗΜΕΡΙΝΗΣ ΧΡΗΣΗΣ K.A.

20 Ψηφιακός Κόσμος Ο Ψηφιακός κόσμος αποτελείται από: Λογικές πύλες, Λογικά κυκλώματα και Συστήματα. Βασικό δομικό στοιχείο αυτών μέχρι σήμερα είναι μια ηλεκτρονική διάταξη ημιαγωγών γνωστή ως «τρανζίστορ». Κάθε τέτοιο τρανζίστορ, δραωςέναςπολύγρήγοροςδιακόπτης, που μπορεί να δίνει δύο δυνατές καταστάσεις: Ανοικτός διακόπτης = 0, Κλειστός διακόπτης = 1 Άρα μια συνδεσμολογία τέτοιων διακοπτών μπορεί να δώσει πολλούς τέτοιους συνδυασμούς των 0 και 1 καθώς και πράξεις μεταξύ τους Λογικά κυκλώματα.

21 Κανόνας του 1και του 0 : 0+Α=Α, 0. Α=0, 1+Α=1. Α=Α Νόμος της αντιμετάθεσης: Α+Β=Β+Α, Α. Β=Β. Α Νόμος του προσεταιρισμού: A+(B+C)=(A+B)+C, A. (B.C)=(A.B).C Επιμεριστικός νόμος: A+(B.C)=(A+B). (A+C), A. (B+C)=A.B+A.C Νόμος της ανεξαρτησίας: A+A=A, A.A=A. Νόμος του συμπληρώματος: A+ A =1A. A =1 Νόμος της απορρόφησης : Α+Α.Β=Α, Α. (Α+Β)=Α Θεώρημα του De Morgan: ( A + B) = A B, ( A B) = A + B

22 Ηλεκτρικές Ιδιότητες Των Υλικών. Τα υλικά μπορούν να ταξινομηθούν με βάση την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα σε: α) Αγωγούς, που είναι κυρίως τα Μέταλλα αλλά και τα κράματά τους. Στους αγωγούς, φορείς του ρεύματος είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που κινούνται στο κρυσταλλικό πλέγμα και για τον λόγο αυτό τα μέταλλα παρουσιάζουν ηλεκτρική αγωγιμότητα όταν εφαρμοστεί σε αυτά ένα ηλεκτρικό πεδίο. Στα ελεύθερα ηλεκτρόνια οφείλεται και η μεταλλική λάμψη των μετάλλων. β) Μονωτές ή διηλεκτρικά, στους οποίους όλοι οι φορείς (ηλεκτρόνια) είναι πλήρως και σταθερά δεσμευμένα στα άτομα του κρυσταλλικού πλέγματος και μια συνηθισμένη προσφορά ενέργειας δεν μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια, άρα δεν παρουσιάζουν ηλεκτρική αγωγιμότητα. γ) Ημιαγωγούς, όπως το πυρίτιο, που άγουν το ρεύμα κάτω από ορισμένες συνθήκες (λ.χ. σχετικά αυξημένη θερμοκρασία, πρόσπτωση φωτός κ.λ.π.) και για τον λόγο αυτό καλούνται ημιαγωγοί.

23 ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

24 Στοιχειώδης Φυσική των Ημιαγωγών. Ένας ημιαγωγός εμφανίζει πολύ μικρή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Στο κρυσταλλικό πλέγμα του ημιαγωγού, μπορεί να υπάρξει ένα ηλεκτρόνιο (e) που δεν είναι στη θέση του, γιατί λόγω θερμικής κινητικής ενέργειας ή από ένα φωτόνιο, ελευθερώθηκε από τον ομοιοπολικό δεσμό σθένους αφήνοντας τη θέση αυτή κενή. Την κενή αυτή θέση (έλλειψη ηλεκτρονίου) την ονομάζουμε οπή. Συμπεριφέρεταισανθετικόφορτίοκαιδηλώνεταιμετοp (από το pοsitive). Το ελεύθερο ηλεκτρόνιο μπορεί να κινηθεί μέσα στον κρύσταλλο, συμβάλλοντας στην αγωγιμότητα τού κρυστάλλου. Η οπή μπορεί να συμπληρωθεί εύκολα από ένα γειτονικό ηλεκτρόνιο γιατί τα ηλεκτρόνια ταλαντεύονται γύρω από τη θέση ισορροπίας τους κι ένα από αυτά μπορεί να εγκατασταθεί στη θέση τής οπής συμπληρώνοντας τον ατελή δεσμό. Τότε βέβαια μια άλλη οπή θα εμφανισθεί στη δική του προηγούμενη θέση και είναι σαν να μετακινήθηκε η αρχική οπή. Αν εφαρμοσθεί ηλεκτρικό πεδίο Ε θα έχουμε μετακίνηση φορτίου για δύο λόγους: α) Από την προσανατολισμένη κίνηση των ελευθέρων ηλεκτρονίων και β) από την προσανατολισμένη μετατόπιση των οπών. Οι δύο μετακινήσεις φορτίων γίνονται κατ αντίθετη φορά και επομένως τόσο οι οπές όσο και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συμβάλλουν στην αγωγιμότητα του κρυστάλλου κατά την ίδια φορά. Επειδή η αγωγιμότητά τους είναι από την φύση τους παρούσα, οι ημιαγωγοί αυτοί ονομάζονται «ενδογενείς» (intrinsic semicοnductοrs).

25

26 Διαδικασία εμπλουτισμού ή νόθευσης (doping). Εισαγωγή ενός πεντασθενούς ή ενός τρισθενούς στοιχείου στον κρύσταλλο του καθαρού ημιαγωγού. Δημιουργούνται οι λεγόμενοι εξωγενείς ημιαγωγοί. Όταν εισαχθούν πεντασθενή στοιχεία στον κρύσταλλο του καθαρού ημιαγωγού όπως Φωσφόρος (P) ή Αρσενικό (As). Η διαδικασία εμπλουτισμού δημιουργεί τους λεγόμενους ημιαγωγούς τύπου-n (από το αγγλικό negative). Τότε τα τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους του πεντασθενούς στοιχείου δημιουργούν ομοιοπολικούς δεσμούς με τα τέσσερα του ημιαγωγού (π.χ. Si) και το πέμπτο μένει ελεύθερο να κυκλοφορεί στο κρυσταλλικό πλέγμα του ημιαγωγού, «δίνοντας» έτσι έναν παραπάνω φορέα ηλεκτρικού αρνητικού φορτίου. Τα άτομα των προσμίξεων (impurities) αυτών ονομάζονται «Δότες» (donors). Αν εισαχθούν προσμίξεις από ένα τρισθενές στοιχείο όπως το Βόριο (B), το Αλουμίνιο (Al) ή τογάλλιο(ga), τότε δημιουργούνται ημιαγωγοί τύπου-p (από το αγγλικό positive). Στην περίπτωση αυτή, δημιουργούνται οπές αφού τώρα ένα ηλεκτρόνιο λείπει από τον τετραπλό δεσμό, αφήνοντας ένα κενό, δηλαδή έλλειψη αρνητικού φορτίου, σε θέση που περιμένει να «δεχτεί» ένα τέτοιο φορτίο. Τα άτομα των προσμίξεων (impurities) αυτών ονομάζονται «Αποδέκτες» (acceptors).

27 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 1. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των στερεών υλικών οφείλονται σε κβαντομηχανικά φαινόμενα που ρυθμίζουν την συμπεριφορά των φορέων ηλεκτρικού φορτίου. 2. Υπάρχουν τρεις κατηγορίες υλικών, μονωτές, αγωγοί και ημιαγωγοί. 3. Οι ημιαγωγοί είναι τα κύρια συστατικά των ηλεκτρονικών διατάξεων και η ηλεκτρική αγωγιμότητα τους οφείλεται στην κίνηση δύο ειδών φορέων: ηλεκτρονίων και οπών.

28 Βασικά δομικά στοιχεία των κυκλωμάτων είναι τα τρανζίστορ, τα οποία είναι ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ. ΔΙΠΟΛΙΚΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΑΦΗΣ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ FET

29 Η σημαντική διαφορά μεταξύ των 2 τύπων τρανζίστορ είναι ότι στα FET παίζουν μεγάλο ρόλο οι διαστάσεις. Κανάλι αγωγής, διάσταση της τάξης των nm Για πολλούς, η τεχνολογία των FET είναι η βασική τεχνολογία της νανοτεχνολογίας.

30 ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Η ανακάλυψη της ολοκλήρωσης ( ) δίνει τεράστια ώθηση στην ηλεκτρονική τεχνολογία. Μικραίνει εντυπωσιακά το μέγεθος των ηλεκτρονικών συσκευών. Αυξάνονται ραγδαία οι εφαρμογές με αντίκρισμα στην καθημερινή μας ζωή. Τεχνολογική και οικονομική σημασία της ολοκλήρωσης Κατασκευή κυκλωμάτων που δεν είναι δυνατό να γίνουν με διακριτά στοιχεία. Υποβιβασμός όγκου. Αύξηση ταχύτητας επεξεργασίας σημάτων (πληροφορίας). Πρώτο Ολοκληρωμένο Κύκλωμα 1 Τρανζίστορ και 4 παθητικά στοιχεία πάνω σε ένα υπόστρωμα ημιαγωγού Εντυπωσιακήμείωσηκόστους.

31 Οι τεχνολογίες κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων είναι και οι βασικές τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στην νανοτεχνολογία. Οι πιο σημαντικές από αυτές αφορούν την Τεχνολογία Λεπτών Υμενίων (Thin Film Technology): Επιταξία υγρής φάσης - Liquid Phase Epitaxy (LPE) Επιταξία Αέριας Φάσης - Vapor Phase Epitaxy (VPE) Επιταξία Μοριακής δέσμης - Molecular Beam Epitaxy (MBE) Οργανομεταλλική Επιταξία Αέριας Φάσης - Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE). Εναπόθεση από Χημική διάσπαση ατμών Chemical Vapour Deposition (CVD). Παραλλαγές των παραπάνω (π.χ. LACVD κλπ). Si ΜΒΕ GaAs Μοριακές δέσμες Διαφράγματα Πηγές Ga As Υπερ-υψηλό κενό

32 Τεχνικές κατασκευής Οι παραπάνω τεχνικές μαζί με την Φωτολιθογραφία χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και στην νανοτεχνολογία. Η τέχνη της Λιθογραφίας είναι γνωστή από την τυπογραφία και αναφέρεται στην αποτύπωση ενός προτύπου (π.χ. εικόνα) στο χαρτί. Στην περίπτωση της ανάπτυξης ΙC η αντίστοιχητεχνικήονομάζεται Φωτολιθογραφία και αναφέρεται στη δημιουργία των διαφόρων στρωμάτων που συνθέτουν ένα IC Reticle Φωτολιθογραφία με μάσκες Reticle Μάσκα

33 nd-to-silicon--the-making-of-a-c

34 ΔΙΠΟΛΙΚΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΑΦΗΣ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ FET ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΟΨΗ ΤΩΝ ΔΥΟ ΒΑΣΙΚΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ 180 nm

35 Ο ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ MOORE : Ο αριθμός των τρανζίστορ στους μικροεπεξεργαστές θα διπλασιάζεται κάθε 18 με 24 μήνες τρανζίστορ, 1 MHz (Intel 4004) Εκατομμύρια τρανζίστορ (Ultra Sparc III, 1989) 42 Εκατομμύρια, 2 GHz (Intel P4) Εκατομμύρια τρανζίστορ (HP PA-8500) # Τρανζίστορ/τσιπ Μνήμες Επεξεργαστές

36 Σημερινή Υψηλή τεχνολογία μικρο και νανο ηλεκτρονικής CMOS

37 Πόσο μικρά είναι τα σημερινά τσιπ; ΤΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΜΕΤΡΑΕΙ ΟΣΟ ΠΙΟ ΜΙΚΡΟ ΤΟΣΟ ΠΙΟ... ΚΑΛΟ!!!! (0.5 mm) ΕΝΑ ΜΥΡΜΗΓΚΙ ΜΕΤΑΦΕΡΕΙ ΕΝΑ CHIP ΣΤΗΝ ΦΩΛΙΑ ΤΟΥ ΓΙΑ.. ΤΡΟΦΗ. (ΑΥΘΕΝΤΙΚΗ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΑ)

38 Είδη Ολοκληρωμένων Μονολιθικά είναι όσα κατασκευάζονται πάνω σε μία ψηφίδα (chip) Τα Υβριδικά αποτελούνται από μονολιθικά και κυκλώματα διασύνδεσης κολλημένα σε μία βάση. Γραμμικά ή αναλογικά είναι οι ενισχυτές και τα τηλεπικοινωνιακά κυκλώματα Ψηφιακά είναι όσα σχετίζονται με την ψηφιακή λογική και μνήμες υπολογιστικών συστημάτων

39 ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΕΣ ΛΟΓΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ Οι λογικές πύλες κατασκευάζονται με συνδυασμούς βασικών διατάξεων, όπως οι δίοδοι, τα τρανζίστορ, τα MOSFET. Έτσι δημιουργούνται οι λεγόμενες κατηγορίες λογικών πυλών (κυκλωμάτων) που είναι οι : Λογικά κυκλώματα κρυσταλλοδιόδων-κρυσταλλοτριόδων (Diode-Transistor- Logic, DTL). Λογικά κυκλώματα κρυσταλλοτριόδων-κρυσταλλοτριόδων (Transistor- Transistor-Logic, TTL). Λογικά κυκλώματα αντιστάσεων-κρυσταλλοτριόδων (Resistor-Transistor- Logic, RTL). Λογικά κυκλώματα με συνδεδεμένο εκπομπό (Emitter Coupled Logic ECL). Λογικά κυκλώματα MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Logic, MOS). Λογικά κυκλώματα συμπληρωματικών MOSFET (Complimentary MOS, CMOS). Λογικά κυκλώματα εγχύσεως ρεύματος (Intergrated Injection Logic, I 2 L). Λογικά κυκλώματα υψηλού κατωφλίου (High Threshold Logic, HTL). Οι εμπορικές σειρές της οικογένειας TTL σε μορφή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ονομάζονται με χαρακτηριστικά που περιέχουν τον αριθμό 74, όπου: 74 είναι η κλασσική TTL, 74S είναι σειρά TTL SCHOTTKY, 74LS είναι η σειρά TTL Low Schottky (χαμηλής, ισχύος). Αντίστοιχα η CMOS με αριθμό 74 έχει άλλα γράμματα (π.χ. Η).

40 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΛΟΓΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ Οι περισσότερες από τις οικογένειες λογικών κυκλωμάτων που αναφέρθηκαν υπάρχουν σήμερα στο εμπόριο σαν ολοκληρωμένα κυκλώματα. Γι αυτό το λόγο μπαίνει πάντα το θέμα της εκλογής της πιο κατάλληλης οικογένειας για την πραγματοποίηση μιας συγκεκριμένης εφαρμογής. Σημειώνεται πως σε μια εφαρμογή δεν μπορεί κανένας να αναμείξει τις οικογένειες γιατί δεν υπάρχει μεταξύ τους συμβατότητα στην τάση τροφοδοσίας, στην ταχύτητα λειτουργίας και κυρίως στις αντιστάσεις εισόδου και εξόδου. Η εκλογή της κατάλληλης οικογένειας για κάθε εφαρμογή γίνεται με βάση ορισμένα χαρακτηριστικά. Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι: Ταχύτητα λειτουργίας ή καθυστέρηση διάδοσης Αναισθησία στο θόρυβο Ικανότητα μιας πύλης να οδηγήσει άλλες (FAN IN και FAN OUT). Τάση τροφοδοσίας Ισχύς που καταναλώνει μια πύλη Περιοχή θερμοκρασίας για ασφαλή λειτουργία Ποικιλία από συναρτήσεις που διαθέτει η οικογένεια Κόστος.

41 ΕΠΙΠΕΔΑ ΜΕΛΕΤΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Top-down ΕΠΙΠΕΔΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΔΙΑΤΑΞΗΣ Bottomup ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ

42 Με τις παραπάνω τεχνικές και την αντίστοιχη βασική έρευνα, φτάσαμε περί τα τέλη του 20 ου αιώνα στα όρια της τεχνολογίας σμίκρυνσης CMOS με τα μέχρι τότε δεδομένα. Γεννιέται η Νανο-ηλεκτρονική. Περίπου από το 1998, το πρόθεμα Nano σταδιακά αντικαθιστά το Micro στην βιβλιογραφία, αρχικά στον χώρο της ηλεκτρονικής και σιγά σιγά και στους χώρους της βιολογίας και της χημείας.

43 ΙΣΧΥΡΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΚΒΑΝΤΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ

44 Προτάσεις για την εξέλιξη της ηλεκτρονικής τεχνολογίας τον 21 ο αιώνα Νανοηλεκτρονική. 1. Βελτίωση των χαρακτηριστικών των ήδη γνωστών διατάξεων με χρήση νέων υλικών ή νέων τεχνολογιών κατασκευής ή νέων δομών των διατάξεων (π.χ. 3G FET, Metal gate FET κλπ) ή συνδυασμός των παραπάνω. 2. Μελέτη και ανάπτυξη νέων νανοδιατάξεων με ιδιότητες παραπλήσιες ή/και ανώτερες των σημερινών δομών CMOS, όπως τα τρανζίστορ μονού ηλεκτρονίου (SET). 3. Μελέτη νέων πιο.. εξωτικών αλλά πολύ ισχυρών υπολογιστικών συστημάτων, όπως οι κβαντικοί υπολογιστές ή και τα συστήματα που βασίζονται σε βιολογικές δομές (DNA computing). 4. Συνδυασμοί των παραπάνω υβριδικά συστήματα.

45 ΔύοτρόποισχεδίασηςκαικατασκευήςνέωνΝανοδομών 1. Από πάνω προς τα κάτω 2. Από κάτω προς τα πάνω μικροηλεκτρονική Από πάνω προς τα κάτω Μοριακά ηλεκτρονικά Βιοηλεκτρονική Νανοτεχνολογία Χημεία Βιολογία Από κάτω προς τα πάνω

46 Το μέλλον: Συνδυασμοί όλων των παραπάνω και νέες εξωτικές (;) προσδοκίες (;) Συνδυασμός βιολογίας, φυσικής, θεωρίας πληροφορίας και νανοηλεκτρονικής: Οι Υπολογιστές του μέλλοντος, με κύριους εκφραστές τους Νανο-υπολογιστές.

47 Έχουμε μέχρι σήμερα προτάσεις για 4 τύπους Νανο-υπολογιστών (nanocomputers): Ηλεκτρονικοί (Electronic) Χημικοί και Βιοχημικοί (Chemical and Biochemical) Μηχανικοί (Mechanical) Κβαντικοί (Quantum).

48 Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές Χρησιμοποιούν νέας γενιάς τρανζίστορ και ακολουθούν τις εξελίξεις της νανοηλεκτρονικής

49 Μέχρι σήμερα, η μελέτη νέων υλικών ώστε το πυρίτιο και τα άλλα υλικά κατασκευής των τρανζίστορ να αντικατασταθούν από υλικά υψηλών επιδόσεων οδήγησε σε δύο σημαντικές ανακαλύψεις. Δύο κύρια επιτεύγματα: 1) Η μελέτη της αντικατάστασης του SiO2 στην πύλη του MOSFET από υλικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (high-k dielectrics). Αποτέλεσμα η ανακοίνωση της Intel ότιοινέοι Pentium έχουν πλέον HfO2 αντί SiO2. Νέα γενιά ηλεκτρονικών διατάξεων, η έρευνα συνεχίζεται για καλύτερα υλικά από το HfO2. 2) Η μελέτη της δημιουργίας νέων νανο-καλωδίων για τις συνδέσεις των διατάξεων στο κύκλωμα. Αποτέλεσμα νέα γενιά καλωδίων από νανοσωλήνες άνθρακα.

50 Νέες Ηλεκτρονικές Διατάξεις, με περισσότερες δυνατότητες από τα συμβατικά τρανζίστορ Τρανζίστορ μονού ηλεκτρονίου (SET). Κατασκευή από τους Fulton και Dolan στα Bell Labs. Αλλά.. δουλεύει μόνο σε πάρα πολύ χαμηλές θερμοκρασίες Δεν έχουμε κατασκευή κυκλωμάτων (μόνο σχεδίαση και προσομοίωση)

51 Ύπάρχουν τέτοια Τρανζίστορ; Ναι και μερικά είναι αυτά. Όμως αν τα ενώσουμε για να φτιάξουμε κύκλωμα, έχουμε πολλά προβλήματα

52 Μαγνητική μνήμη RAM (Magnetic RAM), που ενσωματώνει τεχνολογίες ηλεκτρονικής-μικρομαγνητισμού.

53

54 Το μέλλον στα Ηλεκτρονικά: Υβριδικά συστήματα NANO-CMOS

55 Χημικοί και Βιοχημικοί Υπολογιστές (Chemical and Biochemical) Χρησιμοποιούν χημικές και βιοχημικές ουσίες για την πραγματοποίηση λογικών πράξεων. Υπολογιστές βασισμένοι στο DNA.

56 ΔΗΛΑΔΗ.ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΒΑΣΙΣΜΕΝΟΙ ΣΤΟ DNA Η βασική ιδέα που οδήγησε στη μελέτη των πρώτων DNA-υπολογιστών είναι ότι, οι δυνατότητες επεξεργασίας της πληροφορίας που υπάρχουν στα οργανικά µόρια (DNA, RNA, ένζυµα) µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την επιτέλεση συγκεκριµένων έργων µε συγκεκριµένο σκοπό. Εφόσον μιλάμε για επεξεργασία πληροφορίας σε µοριακό επίπεδο έχουµε να κάνουµε µε µια µικροσκοπική κλίµακα ολοκλήρωσης, που ξεπερνάει κατά πολύ τις κλίµακες των ψηφιακών ηλεκτρονικών υπολογιστών.

57 Ένας υπολογιστής DNA, µπορεί να οριστεί πιο εύκολα από το τι κάνει, παράαπότοτιείναι. Αυτό που θα γίνεται είναι να έχουµε ως είσοδο του υπολογιστή DNA, ένα σύνολο από δοκιµαστικούς σωλήνες (tubes) που περιέχουν µόρια DNA που κωδικοποιούν το στιγµιότυπο του εκάστοτε προβλήµατος. Ο «υπολογισµός» του DNA-υπολογιστή συνίσταται σε µια ακολουθία από λειτουργίες που µπορούν να γίνουν (είτε από ανθρώπους, είτε από ειδικά robot) χρησιµοποιώντας αυτούς τους σωλήνες. Κάθε λειτουργία αυτής της ακολουθίας, ενδεχοµένως να παράγει ένα ή περισσότερους νέους σωλήνες, οι οποίοι µπορούν να χρησιµοποιηθούν µαζί µε τους προηγούµενους, για την εκτέλεση των επόµενων λειτουργιών. Η έξοδος του υπολογιστή DNA θα συνίσταται πάλι από ένα σύνολο από δοκιµαστικούς σωλήνες, οι οποίοι, αυτή τη φορά, θα περιέχουν µόρια DNA που κωδικοποιούν λύσεις, στο πρόβληµα που κωδικοποιούσαν τα µόρια DNA των δοκιµαστικών σωλήνων που συνιστούσαν την είσοδο. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι, για την ώρα, η έννοια του υπολογιστή DNA είναι συνυφασµένη µε την έννοια του προβλήµατος, και του DNA-προγράµµατος που το επιλύει (η ακολουθία των λειτουργιών). Αν και η ύπαρξη Universal DNA υπολογιστών, (δηλαδή υπολογιστών που θα δέχονται ως είσοδο, εκτός των άλλων, και ένα σύνολο δοκιµαστικών σωλήνων που να κωδικοποιούν το πρόγραµµα) αποδεικνύεται θεωρητικά, εντούτοις περιορισµοί της βιοτεχνολογίας αποτρέπουν την πρακτική υλοποίηση των Universal DNA υπολογιστών. Εφόσον µιλάµε για DNA προγράµµατα, θα είναι χρήσιµο αυτάταπρογράµµατα να προέρχονται από κάποια γλώσσα προγραµµατισµού, που θα προκύψει από µια τυποποίηση των λειτουργιών.

58 Άρα Ένας υπολογιστής DNA θα μπορούσε, πολύ απλά, να είναι ένα σύνολο δοκιµαστικών σωλήνων, κάποιοι από τους οποίους περιέχουν µόρια που κωδικοποιούν το στιγµιότυπο του προβλήµατος, κάποιοι άλλοι ενδεχοµένως να περιέχουν την κωδικοποίηση του προγράµµατος που πρέπει να εκτελεστεί, ενώ άλλοι σωλήνες θα φυλάσσουν ενδιάµεσα αποτελέσµατα στη διαδικασία του υπολογισµού. Ο υπολογισµός είναι στην ουσία µια σειρά από λειτουργίες που πρέπει να γίνουν (ανάµειξη, φιλτράρισµα) επί των σωλήνων, ενώ ένα πρόγραµµα, όπως αναφέρθηκε προηγουµένως, θα κωδικοποιεί τον τρόπο που θα αντιδρούν τα διάφορα µόρια στους σωλήνες, έτσι ώστε το αποτέλεσµα που θα προκύψει να είναι µία κωδικοποίηση της λύσης στο πρόβληµα που θέλουµε να επιλυθεί.

59 Διεργασίες με το DNA

60

61 Κατάσταση έρευνας στους υπολογιστές DNA Ήδη έχουμε την θεωρητική μελέτη των δυνατοτήτων ενός υπολογιστή που χρησιμοποιεί δομές DNA. Από προσομοιώσεις γνωρίζουμε τις δυνατότητες του και την συμπεριφορά του. Έχουμε μαθηματικά μοντέλα, έχουμε αποτελέσματα αρχικού σχεδιασμού. Κάποια στιγμή θα έρθει και η υλοποίηση.

62 Μηχανικοί Υπολογιστές (Mechanical Computers) Χρησιμοποιούν μηχανικές ιδιότητες των νανο-δομών. Μικρομηχανές.

63 Ο Μηχανισμός των Αντικυθήρων είναι ο αρχαιότερος αναλογικός μηχανικός υπολογιστής που γνωρίζουμε.

64 Οι αυριανοί μηχανικοί Νανο-υπολογιστές θα βασίζονται σε μηχανικές ιδιότητες των μορίων και δομών από μακρομόρια

65 Πρωτο-προτάθηκαν από τον K Eric Drexler το 1991 με την διδακτορική του διατριβή στο MIT

66 Επίσης προτείνονται και τα Νανο-Δοκάρια (nanorods), ως στοιχεία επεξεργασίας και μνήμης

67 Ενώωςσυστήματαεισόδουεξόδουείναι ηλεκτρικά ενεργοποιούμενοι αισθητήρες *κάτι σαν Νανο-ρελαί

68 Οι νανοδομές δεν είναι ορατές με οπτικά μικροσκόπια, χρησιμοποιούνται ειδικά μικροσκόπια: Μικροσκόπιο Εκπομπής Ηλεκτρονίων Μικροσκόπιο Σάρωσης Φαινομένου Σήραγγας Μικροσκόπιο Ατομικής Ισχύος (STM) Όμως, ταμικροσκόπιααυτάταχρησιμοποιούμεκαιγιατην μετακίνηση ατόμων και την δημιουργία νανοδομών, ακόμα και καλλιτεχνικές δομές Ικανότητα τοποθέτησης ατόμων σε συγκεκριμένες θέσεις με STM.

69 MEMS, NEMS Ηλεκτροστατικοί μικρο-μηχανισμοί μηχανισμοί κίνησης (π.χ. Μικροκινητήρες) Οι ηλεκτροστατικοί μικρομηχανισμοί κίνησης κατασκευάζονται από μέταλλα ή ημιαγωγούς με τις τεχνολογίες της μικροηλεκτρονικής (επίταξη κλπ) Έχουν σχήματα όπως καμπύλα περιστροφικά ρουλεμάν αλλά και επίπεδα ρουλεμάν επιφάνειας.

70 Κβαντικοί υπολογιστές (Quantum Computers) Οι πιο σημαντικοί και οι πιο επιθυμητοί. Χρησιμοποιούν τις ιδιότητες της κβαντικής μηχανικής για την εκτέλεση λογικών πράξεων

71 Κβαντικοί Υπολογιστές Κβαντικός υπολογιστής ονομάζεται οποιαδήποτε υπολογιστική συσκευή κάνει χρήση χαρακτηριστικών κβαντμηχανικών ιδιοτήτων, όπως η αρχή της υπέρθεσης και της διεμπλοκής καταστάσεων για να πραγματοποιεί επεξεργασία δεδομένων. Σε έναν κλασικό υπολογιστή, στοιχειώδης μονάδα πληροφορίας πληροφορίας είναι το bit (0, 1) ενώ σε έναν κβαντικό υπολογιστή το qubit ( 0> + 1> ).

72 Κβαντικοί Υπολογιστές Η βασική αρχή της κβαντικής υπολογιστικής επιστήμης είναι το γεγονός ότι οι κβαντομηχανικές ιδιότητες της ύλης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναπαράσταση και τη δόμηση δεδομένων, καθώς και το γεγονός ότι μπορούν να επινοηθούν και να κατασκευαστούν μηχανισμοί βασισμένοι στην κβαντομηχανική για την επεξεργασία αυτών των δεδομένων. Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν μεταξύ άλλων: Να ερευνήσουν με πρωτοφανή ταχύτητα τεράστιες και αδόμητες βάσεις δεδομένων, Να σπάσουν κάθε γνωστό κρυπτογραφικό κώδικα, Να προσομοιώσουν πολύπλοκες διεργασίες και φαινόμενα, και να επιλύσουν προβλήματα τα οποία είναι πρακτικά αδύνατον να λυθούν από τους σημερινούς υπολογιστές, που ονομάζονται πλέον "κλασικοί υπολογιστές".

73 Κβαντικοί Υπολογιστές Τα κβαντικά υπολογιστικά συστήματα εκμεταλλεύονται κατά κύριο λόγο την ιδιότητα της υπέρθεσης καταστάσεων. Αυτό σημαίνει ότι κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες ένα ηλεκτρόνιο, για παράδειγμα, μπορεί να βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί θεωρητικά να κάνει πολλές πράξεις ταυτόχρονα, εξαιτίας της υπέρθεσης καταστάσεων. Έτσι, όταν οι κβαντικοί υπολογιστές γίνουν πραγματικότητα, θα μπορούν να λύνουν προβλήματα η πολυπλοκότητα των οποίων αυξάνει εκθετικά και όχι γραμμικά.

74 Κβαντικοί Υπολογιστές Ο πρώτος που αντιλήφθηκε πως τα qubit μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ισχυρότατων υπολογιστών ήταν ο Richard Feynman, το 1982, όταν και κατάλαβε ότι χάρη στα qubit μπορούσαν να υπολογιστούν ταυτόχρονα όλοι οι δυνατοί συνδυασμοί από 0 και 1. Είναι σαν να έχουν ενσωματωθεί δισεκατομμύρια συμβατικοί υπολογιστές σε έναν και μόνο κβαντικό υπολογιστή. Παρέμενε, όμως, ένα πρόβλημα: Οι θεμελιώδεις λογικές πράξεις λειτουργούν στα κλασικά bit και όχι στα κβαντικά. Έπρεπε λοιπόν να δημιουργηθούν καινούριες. Το 1985 ο Άγγλος φυσικός David Deutsch υπέδειξε τον τρόπο με τον οποίο θα έπρεπε να λειτουργεί ένας κβαντικός υπολογιστής, λαμβάνοντας υπόψη μια καινούρια ομάδα λογικών πράξεων, και απέδειξε επίσης πως ένας κβαντικός υπολογιστής μπορούσε να εκτελέσει όλους τους υπολογισμούς που κάνει ένας κλασικός υπολογιστής και μάλιστα πολύ ταχύτερα. Ενώ ένας κλασικός υπολογιστής πραγματοποιεί δύο πράξεις για να δει τις δύο όψεις ενός νομίσματος (και να αποφασίσει αν είναι όμοιες ή όχι), ένας κβαντικός υπολογιστήςθαμπορείνατοκάνειαυτόμόνομεμία.

75 H καινούρια ομάδα λογικών πράξεων

76 Μια προτεινόμενη Αρχιτεκτονική Κβαντικού Υπολογιστικού Συστήματος

77 Μια προτεινόμενη υλοποίηση: Υπολογιστής του Kane

78 Άλλες προτεινόμενες υλοποιήσεις Με χρήση μαγνητικών qubit

79 Κβαντικοί Υπολογιστές To 2001 κατασκευάστηκε ο πρώτος κβαντικός υπολογιστής από τον Isaac Chuang, στο κέντρο ερευνών της IBM στο Almaden Research Center στην Καλιφόρνια. Αποτελούνταν από ένα τεχνητό μόριο στο οποίο είχαν «αποθηκευτεί» 7 qubit. Η πληροφορία μπορούσε να ανακτηθεί και να διαβαστεί χάρη στην τεχνική NMR (Nuclear Magnetic Resonance). Με τον τρόπο αυτό, ο Chuang κατάφερε να πραγματοποιήσει έναν απλό υπολογισμό: ανέλυσε τον αριθμό 15 στο γινόμενο των δύο πρώτων παραγόντων, 3 και 5. Το σύστημα που κατασκεύασε η ερευνητική ομάδα της ΙΒΜ μπόρεσε να λύσει το μαθηματικό πρόβλημα σε ένα μόνο βήμα, ενώ ένας συμβατικός υπολογιστής θα έπρεπε, για να το λύσει, να πραγματοποιήσει μια σειρά από ξεχωριστά βήματα. Πρόκειται για μια απλή πράξη, αλλά θεωρητικά μπορεί να επεκταθεί και σε πολυψήφιους αριθμούς. Αρκεί βέβαια να δημιουργήσουμε και να χρησιμοποιήσουμε περισσότερα qubit.

80

81 Προτεινόμενες Υλοποιήσεις ενός Κβαντικού Υπολογιστή.

82 Η σημαντικότερη μέχρι σήμερα, αν και με μεγάλη απόκλιση από τα προσδοκούμενα και με πολλά αναπάντητα ερωτήματα. D-Wave System Inc. Οrion, 16 bit quantum computer on February 13th, 2007 Computer History Museum,Mountain View, California Αναγνώριση προτύπων (Pattern matching). Εύρεση ανάμεσα σε ομοειδή αντικείμενα σε βάση δεδομένων Τοποθέτησε τους παριστάμενους σε κατάλληλες θέσεις Sudoku

83 Κβαντικοί Υπολογιστές Την άνοιξη του 2010, μια νέα εφεύρεση της ιαπωνικής εταιρίας Toshiba φέρνει ένα πιο βήμα κοντά στην υλοποίηση των κβαντικών υπολογιστών. Πρόκειται για την ανακάλυψη μιας νέας μικροσκοπικής ηλεκτρονικής συσκευής, της Διόδου Εκπομπής Διαμπλεκόμενου Φωτός (ELED), που μπορεί να παράγει το λεγόμενο (κβαντικά) «διαμπλεκόμενο» (entangled) φως. Ερευνητές του ερευνητικού κέντρου της Toshiba Corp. στη Βρετανία, σε συνεργασία με συναδέλφους τους του ιστορικού Εργαστηρίου Cavendish του πανεπιστημίου του Cambridge, παρουσίασαν τη σχετική επιστημονική εργασία στο περιοδικό Nature, και ανακοίνωσαν ότι τα ELED (Διόδου Εκπομπής Διαμπλεκόμενου Φωτός (ELED)) ανοίγουν το δρόμο για μελλοντικά πανίσχυρα τσιπ ημιαγωγών. Προς το παρόν, οι ερευνητές δεν έχουν κάνει κβαντικούς υπολογισμούς, όμως θεωρούν ότι μέσα σε μια πενταετία θα έχουν αναπτύξει βασικά κβαντικά υπολογιστικά κυκλώματα, που θα χρησιμοποιούν την τεχνολογία των ELED. Μέχρι σήμερα, η δημιουργία «εναγκαλισμένου» φωτός είχε καταστεί δυνατή με την χρήση κρυστάλλων, που διασπούν το φως ογκωδών λέιζερ σε ζεύγη φωτονίων. Όμως η μέθοδος αυτή δεν έχει ακόμα αξιοπιστία, επειδή μερικές φορές παράγονται δύο ζεύγη φωτονίων, άλλες φορές ένα και καμιά φορά κανένα, με συνέπεια να μην μπορεί να βασιστεί κανείς σε αυτή την τεχνολογία για τη δημιουργία ενός αλάνθαστου κβαντικού υπολογιστή. Από την άλλη, η νέα ELED της Toshiba χρησιμοποιεί τη συμβατική τεχνολογία των ημιαγωγών και κατασκευάζεται από GaAs, ένα κοινό υλικό στην οπτο-ηλεκτρονική. Οι ELED μοιάζουν με τις συμβατικές διόδους εκπομπής φωτός (LED) που ήδη χρησιμοποιούνται ευρέως στα καταναλωτικά ηλεκτρονικά προϊόντα και στο σύγχρονο φωτισμό, όμως περιέχουν και μια πρόσθετη μικροσκοπική κβαντική περιοχή (με μέγεθος μόλις δέκα νανομέτρων), όπου ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό σήμα με συχνότητα 80 MΗz μετατρέπεται σε «διαμπλεκόμενο» φως.

84 Κβαντική Κρυπτογραφία

85 ΤΗΛΕΜΕΤΑΦΟΡΑ

86 ΤΗΛΕΜΕΤΑΦΟΡΑ ;;;;!!!!!!!! ΘΥΜΗΘΕΙΤΕ ΤΟ STAR TREK BEAM ME UP MR SPOCK Captain Kirk and Mr. Spock Ίσως δεν είναι και τόσο μακρινή πραγματικότητα

87

88 Λιγάκι φιλοσοφία Επειδή η υπολογιστική πολυπλοκότητα των κβαντικών συστημάτων αυξάνεται εκθετικά συναρτήσει του αριθμού των σωματιδίων τους έναντι μόνο μιας γραμμικής αύξησης για τα κλασικά συστήματα (d N έναντι 3N) ηεπίλυσήτους από πρώτες αρχές (πλην ελαχίστων εξαιρέσεων) είναι ένα ανέφικτο πρόβλημα. Απλούστατα δεν γίνεται σε έναν κλασικό υπολογιστή. Αλλά γιατί να γίνεται σε έναν κβαντικό υπολογιστή, οτιδήποτε κι αν σημαίνει αυτό; Για έναν λόγο πολύ απλό όσο και θεμελιώδη. Αφού ο κβαντικός κόσμος υπάρχει, σημαίνει ότι μάλλον τα... καταφέρνει να λύνει τις εξισώσεις του! Πώς τις λύνει; Απλώς υπάρχοντας! Κατά κάποιον τρόπο η ίδια η ύπαρξη ενός κβαντικού συστήματος όπως, βέβαια, και ενός κλασικού είναι μια έμπρακτη επίλυση των σχετικών εξισώσεων. Απλώς έχουμε κάποια δυσκολία να «διαβάσουμε» τη λύση επειδή το «πράγμα» δεν φτιάχτηκε γι αυτόν ακριβώς το σκοπό. (Αν και... ποιος ξέρει!) Αν όμως εμείς κατασκευάσουμε ένα τεχνητό κβαντικό σύστημα, που να μπορούμε να το «προγραμματίζουμε» απ έξωαλλάκαινατο«διαβάζουμε», τότε αυτό θα λύνει το πρόβλημά μας απλώς... υπάρχοντας. Δηλαδή, απλώς δουλεύοντας με βάση τους κβαντικούς νόμους. Τόσο απλό! Τόσο απλό που ίσως και να... μην γίνει ποτέ! Η περιπέτεια τώρα αρχίζει!

89 Οπτικοί Υπολογιστές Όχι κατ ανάγκην σε Νάνο επίπεδο, αλλά βολεύουν οι τεχνικες Νανο Υλικών για την δημιουργία τους. Χρησιμοποιούν τεχνικές τρισδιάστατης απεικόνησης δεδομένων (ολογραφία) καθώς και νέα υλικά για την διαμόρφωση της πληροφορίας.

90 Οπτικός υπολογιστής Στα τέλη της δεκαετίας του 90 αμερικάνοι επιστήμονες μελέτησαν τη δυνατότητα κατασκευής ενός οπτικού διακόπτη. Αυτό ήταν το πρώτο βήμα για τη δημιουργία του οπτικού υπολογιστή, ο οποίος μπορεί να επιτευχθεί με τη οπτική πολύπλεξη πολλών σημάτων μέσα στο ίδιο αγωγό και στη συνέχεια να αλλάζουν από κανάλι σε κανάλι παράλληλα. Τα κύρια οπτικά τμήματα εμπίπτουν σε τρεις κατηγορίες: σε αυτά που παράγουν φως, σε αυτά που ανιχνεύουν φως και σε αυτά που κατευθύνουν το φως. Από τη στιγμή της ανακάλυψης των μη γραμμικών κρυστάλλων, οι οποίοι έχουν την ικανότητα να μεταβάλλουν τον δείκτη διάθλασής τους ανάλογα με την εφαρμοζόμενη σε αυτούς τάση, οι επιστήμονες άρχισαν να ονειρεύονται την κατασκευή του οπτικού υπολογιστή. Η διασύνδεση των εσωτερικών τμημάτων του υπολογιστή θα είναι εξ ολοκλήρου οπτική αντί για ηλεκτρική. Ολογραφικοί κρύσταλλοι 3 διαστάσεων θα επιτρέπουν την ταχύτατη και μεγάλου όγκου αποθήκευση δεδομένων. Για την ώρα, ο οπτικός υπολογιστής παραμένει ένα όνειρο, καθώς τα λειτουργικά μέρη όπως οι πύλες και οι διακόπτες καταλαμβάνουν πολύ περισσότερο χώρο από τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά και η ανάγκη για την ανακατεύθυνση των οπτικών σημάτων χρειάζονται μικροσκοπικές κατασκευές στρέψης των καθρεπτών, οι οποίοι έχουν μια μάζα, θέτει όρια στη ταχύτητα εναλλαγής.

91 Μια προτεινόμενη διάταξη Προσωπικού Υπολογιστή στο μέλλον.

92

93 Όλα τα παραπάνω έχουν να κάνουν με την ανάπτυξη της τεχνολογίας Υλικού των Υπολογιστών. Τι γίνεται με την ανάπτυξη Λογισμικού;

94 Λογισμικό & Εφαρμογές Η σημαντικότερη εξέλιξη έχει να κάνει με την διαρκή ανάπτυξη της Τεχνητής Νοημοσύνης, με εφαρμογές σε αναγνώριση προτύπων και μηχανική μάθηση. Σημαντικότατη η συμβολή της διασύνδεσης υπολογιστικών συστημάτων με ανάπτυξη της τεχνολογίας δικτύων και προηγμένων τεχνικών διασύνδεσης (pervasive computing). Ανάπτυξη υψηλών δυνατοτήτων λογισμικού προσομοίωσης με αφορμή την αναπαράσταση πραγματικών συμβάντων (παιχνίδια σε Η/Υ) Συνεχής βελτίωση τεχνικών ασφάλειας Υπολογιστικών Συστημάτων..

95 Συνδυασμοί Η τεράστια υπολογιστική ισχύ των υπολογιστών του μέλλοντος, σε συνδυασμό με Τεχνητή Νοημοσύνη και προηγμένο λογισμικό Περιβάλλοντα λειτουργίας βασισμένα σε νέας γενιάς κώδικες και εξελιγμένες ιδέες (θυμηθείτε ότι η Java δεν υπήρχε πριν λίγα χρόνια.) Προηγμένα συστήματα αλληλεπίδρασης Ανθρώπου Μηχανής (Συσκευές Ι/Ο νέων δυνατοτήτων όπως οι οπτικές) Γνώσεις από την Ρομποτική, τους αισθητήρες καθώς και επιστήμες όπως η Βιολογία..

96

97 Νανομηχανές, Νανορομπότ +συνδυασμός με τεχνητή νοημοσύνη.. (επιστημονική φαντασία;;;)

98 Πόσο ακριβή είναι τα όσα λέμε για το μέλλον των υπολογιστών;

99 Ο κίνδυνος της πρόβλεψης. The telephone is so important, every city will need one Anonymous I think that there is a world market for maybe five computers Thomas J. Watson, IBM, 1949 Computers in the future may only weight 1.5 tons Popular Mechanics, 1949 There is no reason for any individual to have a computer in their home K. Olsen, President of DEC, 1977 The US will have 220,000 computers by the year 2000 RCA Corporation, 1966

100 ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΦΑΝΤΑΣΙΑ ΔΙΑΣΗΜΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΣΕ ΤΑΙΝΙΕΣ ΚΑΙ ΜΥΘΙΣΤΟΡΗΜΑΤΑ HAL ΟΔΥΣΣΕΙΑ ΤΟΥΔΙΑΣΤΗΜΑΤΟΣ The Engine, Gulliver's Travels. Multivac (Isaac Asimov) Alpha-60 (Alphaville,1965) Alfie (Barbarella,1968) MU-TH-R 182 Mother (Alien 1979) The Matrix (The Matrix series 1999.)