Tölvumál - 01.12.1994, Blaðsíða 16

Desember 1994
Grundvallartakmarkanir í tölvutækni
Eftir Hjálmtý Hafsteinsson
Inngangur
Öll höfum við fylgst með því
hvemig afkastageta tölva hefur
margfaldast á síðustu áratugum.
Þessi þróun er einsdæmi í rnann-
kynssögunni, en samt er eins og
þeir sem lifa og hrærast í tölvu-
heiminumlíti áþessaveldisaukn-
ingu á tölvuhraða sem sjálfsagðan
hlut.
Afkastaaukning undanfarinna
ára hefur náðst með betri fram-
leiðslutækni, hentugri efnum, en
ekki síst með sífellt meiri smækk-
un rökrása. Nú er það svo að í
eðlisfræðinni eruýmis lögmál sem
í framtíðinni munu væntanlega
setja smíði hraðvirkari tölva
ákveðnar skorður. Þar má nefna
ljóshraðann, óvissulögmál Heis-
enbergs og ýmis lögmál tengd
byigjulengdrafsegulbylgja.
I þessari grein mun ég skoða
nánar þessar takmarkanir og velta
upp ýmsum afleiðingum þeirra.
Umijölluninverðurtvíþætt. Fyrst
verður hugað að því hvort útreikn-
ingar í tölvum kreíjist einhverrar
lágmarksorku, en síðan lítum við
á takmarkanir á hámarkshraða
tölva. Vegna ljóshraðans tengist
hámarkshraði lágmarksstærð, svo
að við munum aðallega velta fyrir
okkur hversu smáar tölvur hægt er
að smíða.
Lágmarksorka
Menn hefur lengi langað að
vita hvort til sé einhvert lágmarks-
orkumagn sem þarf til að fram-
kvæma einstakar grunnaðgerðir í
tölvum. Johnvon
N eumann var einn
afþeim fyrstu sem
skoðuðu þessa
spurningu, en
síðan hafa margir
fleiri lagt sitt af
mörkum.
Það er tiltölu-
legaauðveltaðsjá
fyrir sér ákveðin
neðri mörk sem
byggjast á þeirri
hreyfiorku sem
allar sameindir
efna hafa við
ákveðið hitastig.
Sameindir allra
joulc
Mynd 1. Orkunotkun grunnbitaaðgerðci
efna eru á sífelldri handahófs-
kenndri hrey fingu sem er háð hita-
stiginu. Hreyfiorka einstakra sam-
einda er nokkuð breytileg, en hún
er veldisdreifð með meðaltal kT
joule, þar sem k er Boltzmann
fastinn, sem er um 1.38 * 10'23
joule per Kelvin gráðu, og T er
hitastigið í Kelvin gráðum. Við
stofuhita cr/cfþví um4.14 *10'21
joule. Til þess að varðveita stöðu
eins bita í rökrás tölvu verður
ákveðinn orkuþröskuldur að vera
til staðar, annars myndu hinar
óreglulegu hreyfmgar sameind-
annabreytahenni. Vegnaveldis-
dreifingar á orkustigi einstakra
sameinda verðurþessi orkuþrösk-
uldur að vera þó nokkuð hærri en
kT. Bitaaðgerðir rökrásarinnar
felast hins vegar í því að breyta
gi ldum einstakra bita og þær þurfa
því að yfirvinna orkuþröskuldinn.
Þar af leiðandi kreíjast þær orku
sem er heldur hærri en kT.
Nútíma tölvur eru enn nokkuð
langt frá þessunr neðri mörkum
þó að orkunotkun tölva hafi
lækkað mjög mikið frá því þær
komu fyrst fram. Á mynd 1 sést
hvemig orkunotkun per grunnbita-
aðgerðhefurþróast. Afmyndinni
má ráða að þessi þróun getur ekki
haldið áfram nema í tvo til þrjá
áratugi til viðbótar. Til gamans
má geta þess að þegar firumur eru
að afrita DNA sameindir þá tekur
hver aðgerð 10"3 sek. og notar um
20Æreðaum 10"l9joule. Náttúran
er því mun nær þessari lágmarks-
16 - Tölvumál