Vilma
-8 °C
3 °C

Milyen lehetne a világ leggyorsabb laptopja?

2000.10.11. 16:37
A fizikai törvényszerűségek alapján elképzelhető leggyorsabb számítógép tulajdonságait írja le tanulmányában Seth Lloyd, a Massachusetts Institute of Technology (MIT) professzora. A szuperlaptop sűrűsége megközelítené a feketelyukakra jellemző értéket, működtetéséhez pedig egy atomrobbanás energiájára volna szükség. Viszont gyors lehetne,mint a gondolat, csont nélkül vállalná a 1051 műveletet másodpercenként.
Az úgynevezett Moore-törvény azt ígéri, illetve azzal fenyeget, hogy a számítógépek teljesítménye az áramköri elemek zsugorítása nyomán 18 hónaponként megduplázódik. Már jó ideje folyik arról a vita, hogy ez a fejlődési irány mikor ér el a fizikai megvalósíthatóság határához. Sok idő eltelhet még addig, míg használható kvantum- vagy bioszámítógépeket lehet építeni.

Egymilliárd Kelvin hőmérsékleten ez a chip sem így nézne ki
Seth Lloyd, a MIT Department of Mechanical Engineering professzora elméletben megalkotta a világ legerősebb számítógépét, amelyet az alkotóelemek legnagyobb zsugorításával el lehetne érni. Ezt a masinát soha senki nem fogja megépíteni. A kompromisszumok nélküli számítógépről szóló, "Ultimative physical limits to computation" címet viselő tanulmányával Loyd saját bevallása szerint a digitális számítógépek fizikai lehetőségeinek határát akarta feltárni.

Lloyd professzor szerint a Moore-törvénynek nincsen sok köze a fizikához, egyedül az emberi képzelőerőtől függ. A fejlődésnek még nincsenek elméleti akadályai, de a természet törvényeit nem lehet kikerülni. Ha hiszünk a fizika törvényeiben - fogalmaz óvatosan Lloyd, akkor ki kell tudnunk mutatni azt a természetes állandót, ahol véget ér a Moore-törvény, ahonnan már nem lehet tovább zsugorítani.

A saját tömege hajtja

Ehhez a határhoz közelítve Seth Lloyd saját laptopja méreteiből, teljesítményéből és tárolókapacitásából indult ki. Ez a gép körülbelül egy köbdecimétert foglal el a térből, a súlya pedig egy kilogramm. A gép legnagyobb teljesítménye attól függ, mennyi energia áll rendelkezésre. Az einsteini relativitáselmélet és azon feltételezés alapján, miszerint a laptop minden részecskéjét energiává lehet alakítani, Seth szerint mintegy 25 millió megawattóra energia rejlik a gépben. A világ összes atomerőműve ezt 3 nap alatt termeli meg.

A gép a saját tömegét használná fel a számítási feladatok elvégzéséhez - véli Lloyd, aki azt is feltételezi, egy ilyen laptop áramkörei elektronokból és pozitronokból állhatnának. A kvantummechanika alapelvei szerint kiszámolta azt a legnagyobb sebességet is, amellyel a szubatomikus kapcsolók 0 és 1 között át tudnának váltani.

Ilyen feltételek mellett elméletileg másodpercenként 5,4258 x 1051 számítási műveletet lehetne végrehajtani. Lloyd szerint egy hagyományos elven működő számítógép ezt a határt soha nem lépheti át, még akkor sem ha az energiát elosztják több párhuzamosan dolgozó gépre.

Milliárd elektront egy bitért

A szokványos számítógépek mindenekelőtt azért lassabbak, mert a szuperlaptoppal ellentétben a legtöbb részecskéjük nem a számítási műveletekben vesz részt, hanem egyszerű építőelem. Ezen kívül nem segíti a hatásfokot az sem, hogy egy asztali gép sok milliárd elektront pazarol el egyetlen bit felismeréséhez.

A tárolóhely felbecsléséhez Lloyd ismét azt feltételezte, hogy minden részecskét fel lehet használni az információ 0 és 1 formájában történő tárolásához. A maximális tárolóképesség eléréséhez a szuperlaptop a teljes tömegét kénytelen volna energiává alakítani, és a részecskéknek a lehetséges legtöbb állapotjellemzőt (spin, sebesség, irány) fel kellene használniuk. Ez viszont azt is jelentené, hogy a tárolóeszköz a legmagasabb entrópia állapotába kerül. Az entrópia meghatározza azt az információmennyiséget, amelyet a rendszer regisztrálni képes, a hőmérséklet pedig megszabja a bitenként és másodpercenként végrehajtható műveletek számát - állapítja meg Lloyd professzor. Ezek szerint a képzeletbeli laptop legnagyobb entrópiája (2,04 x 108 J/K) 2,13 x 1031 bitnek felel meg.

A gép tárolója így nem más, mint egymilliárd Kelvin hőmérsékleten izzó plazma, vagy ha jobban tetszik egy termonukleáris robbanás, netán az ősrobbanás kis részlete.

Lloyd szerint a tárolóképesség végső határait valószínűleg könnyebb lesz elérni, mint a legnagyobb lehetséges sebességet. A számítógépekben 50 év alatt sikerült a bitsűrűséget egy négyzetcentiméterről egy négyzetmikrométerre zsugorítani. Fizikailag semmi akadálya sincs annak, hogy atomonként egy bit információt tároljunk. Egy kilogramm anyag 1025 darab atomot tartalmaz. Ha ezek jelentős részét rá lehet venni egy-egy bit tárolására, a legnagyobb tárolókapacitás közelébe lehetne kerülni, termonukleáris robbanás nélkül is - véli a professzor. A szuperszámítógép persze sokkal kisebb is lehetne, mint egy köbdeciméter, ami pozitív hatással volna a sorozatos, kis tárhelyet igénylő műveleteknél.

Fejtegetései végén Seth Lloyd arra is kitér, hogyan lehetne elméletileg konstans energiájú gépet alkotni. A legszorosabb csomagolást a feketelyuktól venné kölcsön, és pontosan végigviszi azt is, miért pont a feketelyuk állapotában kellene számításokat végeznie a szuperlaptopnak. Kiszámította továbbá, hogy a 10-27 méteres kiterjedésű, éppen feketelyukként összeroppanó számítógép 3.827 x 1016 bit tárolókapacitással rendelkezhetne. Ez már valóban kis méret volna, hiszen 10-27 méter a proton egymilliárdod részének felel meg.

Ha a Moore-törvényt lineárisan kinyújtanánk az időben, a szuperszámítógép megalkotására nem is kellene túl sok ideig várni. Röpke 250 év múlva elkészülhetnének a mai gépeknél 40 nagyságrenddel gyorsabb számítógépek.