Milyen lehetne a világ leggyorsabb laptopja?

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.