Дорога в будущее




НазваниеДорога в будущее
страница5/40
Дата конвертации09.09.2012
Размер3.73 Mb.
ТипКнига
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   40

- 137 ватт.

Чтобы еще больше сократить обозначения, можно заменить "выкл" нулем (0), а "вкл" - единицей (1).

Тем самым вместо "вкл-выкл-выкл-выкл-вкл-выкл-выкл-вкл" (подразуме­вая, что надо включить первую, пятую и восьмую лампы, а остальные выклю­чить), Вы запишете то же самое иначе: 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1 или двоич­ным числом 10001001. Оно равно десятичному 137. Теперь Вы скажете своему знакомому: "Я подобрал изумительное освещение ! 10001001. Попробуй". И он точно воспроизведет Вашу настройку, зажигая и гася соответствующие лампы.

Может показаться, что этот способ чересчур сложен для описания яркос­ти ламп, но он иллюстрирует теорию двоичного представления информации, лежащую в основе любого современного компьютера.

Двоичное представление чисел позволяет составление чисел позволяет создавать калькуляторы, пользуясь преимуществами электрических цепей. Именно так и поступила во время второй мировой войны группа математиков из Moore School of Electrical Engineering при Пенсильванском университе­те, возглавляемая Дж. Преспером Эккертом (J. Presper Eckert) и Джоном Моучли (John Mauchly), начав разработку электронно-вычислительной машины ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator - электронный чис­ловой интегратор и калькулятор). Перед учеными поставили цель - ускорить расчеты таблиц для наведения артиллерии. ENIAC больше походил на элект­ронный калькулятор, чем на компьютер, но двоичные числа представляли уже не примитивными колесиками, как в арифмометрах, а электронными лампами - "переключателями".

Солдаты, приписанные к этой огромной машине, постоянно носились вок­руг нее, скрипя тележками, доверху набитыми электронными лампами. Стоило перегореть хотя бы одной лампе, как ENIAC тут же вставал и начиналась суматоха: все спешно искали сгоревшую лампу. Одной из причин - возможно, и не слишком достоверной - столь частой замены ламп считалась такая: их тепло и свечение привлекают мотыльков, которые залетают внутрь машины и вызывают короткое замыкание. Если это правда, то термин "жучки" (bugs), под которым имеются в виду ошибки в программных и аппаратных средствах компьютеров, приобретает новый смысл.

Когда все лампы работали, инженерный персонал мог настроить ENIAC на какую-нибудь задачу, вручную изменив подключения 6000 проводов. Все эти провода приходилось вновь переключать, когда вставала другая задача. В решении этой проблемы основную заслугу приписывают Джону фон Нейману, американцу венгерского происхождения, блестящему ученому, известному многими достижениями - от разработки теории игр до вклада в создание ядерного оружия. Он придумал схему, которой до сих пор следуют все циф­ровые компьютеры. "Архитектура фон Неймана", как ее теперь называют, ба­зируется на принципах, сформулированных им в 1945 году. В их число вхо­дит и такой: в компьютере не придется изменять подключения проводов, ес­ли все инструкции будут храниться в его памяти. И как только эту идею воплотили на практике, родился современный компьютер.

Сегодня "мозги" большинства компьютеров - дальние потомки того мик­ропроцессора, которым мы с Полом так восхищались в семидесятых, а "рей­тинг" персональных компьютеров зачастую определяется тем, сколько бит информации (переключателей - в нашем примере со светом) способен единов­ременно обрабатывать их микропроцессор и сколько у них байт (групп из восьми бит) памяти и места на диске. ENIAC весил 30 тонн и занимал большое помещение. "Вычислительные" импульсы бегали в нем по 1500 элект­ромеханическим реле и 17000 электронным лампам. Он потреблял 150000 ватт электроэнергии и при этом хранил объем информации, эквивалентный всего лишь 80 символам.

К началу шестидесятых годов транзисторы начали вытеснять электронные лампы из бытовой электроники. Это произошло через десятилетие после то­го, как в Bell Labs открыли, что крошечный кусочек кремния способен де­лать то же, что и электронная лампа. Транзисторы - подобно электронным лампам - действуют как электрические переключатели, потребляя при этом намного меньше электроэнергии, в результате выделяя гораздо меньше тепла и занимая меньше места. Несколько транзисторных схем можно объединить на одной плате, создав тем самым интегральную схему (чип). Чипы, используе­мые в современных компьютерах, представляют собой интегральные схемы, эквивалентные миллионам транзисторов, размещенных на кусочке кремния площадью менее пяти квадратных сантиметров.

В 1977 году Боб Нойс (Bob Noyce), один из основателей фирмы Intel, в журнале Scientific American сравнил трехсотдолларовый микропроцессор с ENIAC, кишащим насекомыми мастодонтом. Крошка-микропроцессор не только мощнее, но и, как заметил Нойс, "в 20 раз быстрее, обладает большей па­мятью, в 1000 раз надежнее, потребляет энергии столько же, сколько лам­почка, а не локомотив, занимает 1/30000 объема и стоит в 10000 раз де­шевле. Его можно заказать по почте или купить в местном магазине".

Конечно, микропроцессор 1977 года теперь кажется просто игрушкой. Ведь сегодня во многих недорогих игрушках "сидят" более мощные компьютерные чипы, чем микропроцессоры семидесятых, с которых начиналась микрокомпьютерная революция. Но все современные компьютеры, каков бы ни был их размер или мощность, оперируют с информацией в виде двоичных чи­сел.

Двоичные числа используются для хранения текста в персональных компьютерах, музыки на компакт-дисках и денег в сети банковских автома­тов. Прежде чем отправить информацию в компьютер, ее надо преобразовать в двоичный вид. А машины, цифровые устройства, возвращают информации ее первоначальную форму. Каждое такое устройство можно представить как на­бор переключателей, управляющих потоком электронов. Эти переключатели, обычно изготавливаемые из кремния, крайне малы и срабатывают под действием электрических зарядов чрезвычайно быстро - тем самым воспроиз­водя текст на экране персонального компьютера, музыку на проигрывателе компакт-дисков и команды банковскому автомату, который выдает Вам налич­ность.

Пример с выключателями ламп продемонстрировал, что любое число можно представить в двоичном виде. А вот как то же самое сделать с текстом. По соглашению, число 65 кодирует заглавную латинскую букву A, 66 - B и т.д. В компьютере каждое из этих чисел выражается двоичным кодом, поэтому заглавная латинская буква A (десятичное число 65) превращается в 01000001, а буква B (66) - в 01000010. Пробел кодируется числом 32, или

00100000. Таким образом, выражение "Socrates is a man" ("Сократ есть че­ловек") становится 136-разрядной последовательностью единиц и нулей.

Здесь легко проследить, как строка текста превратилась в набор двоич­ных чисел. Чтобы понять, как преобразуют другие виды данных в двоичную форму, разберем еще один пример. Запись на виниловой пластинке - это аналоговое представление звуковых колебаний. Аудиоинформация хранится на ней в виде микроскопических бугорков, расположенных в длинных спиральных канавках. Если в каком-то месте музыка звучит громче, бугорки глубже врезаются в канавку, а при высокой ноте бугорки располагаются теснее. Эти бугорки являются аналогами исходных колебаний звуковых волн, улавли­ваемых микрофоном. Двигаясь по канавке, иголка проигрывателя попадает на бугорки и вибрирует. Ее вибрация - все то же аналоговое представление исходного звука - усиливается и звучит из динамиков как музыка.

Виниловой пластинке, подобно всякому аналоговому устройству хранения информации, свойствен ряд недостатков. Пыль, следы пальцев или царапины на поверхности пластинки могут приводить к неадекватным колебаниям иглы, вызывая в динамиках потрескивание и другие шумы. Если скорость вращения пластинки хотя бы немного отклоняется от заданной, высота звука сразу же меняется. При каждом проигрывании пластинки игла постепенно "снашивава­ет" бугорки в канавке, и качество звучания соответственно ухудшается. Если же какую-нибудь песню записать с виниловой пластинки на кассетный магнитофон, то все "шероховатости" переносятся на пленку, а со временем к ним добавятся новые, потому что обычные магнитофоны сами являются ана­логовыми устройствами. Таким образом, при каждой перезаписи или передаче информация теряет в качестве.

На компакт-диске музыка хранится как последовательность двоичных чи­сел, каждый бит которых представлен микроскопической впадинкой на по­верхности диска. На современных компакт-дисках таких впадинок более 5 миллиардов. Отраженный лазерный луч внутри проигрывателя компакт-дисков

- цифрового устройства - проходит по каждой впадинке, а специальный дат­чик определяет ее состояние (0 или 1). Полученную информацию проигрыва­тель реконструирует в исходную музыку, генерируя определенные электри­ческие сигналы, которые динамики преобразуют в звуковые волны. И сколько бы такой диск ни проигрывали, его звучание не меняется.

Было бы удобно преобразовать всю информацию в цифровую форму, но воз­никает проблема обработки ее больших объемов. Слишком большое число бит может переполнить память компьютера или потребовать много времени на пе­редачу между компьютерами. Вот почему так важна (и становится все важ­нее) способность компьютера сжимать цифровые данные и хранить или пере­давать их в таком виде, а затем вновь разворачивать сжатые данные в ис­ходную форму.

Рассмотрим вкратце, как компьютер справляется с этим. Для этого надо вернуться к Клоду Шеннону, математику, который в тридцатых годах осоз­нал, как выражать информацию в двоичной форме. Во время второй мировой войны он начал разрабатывать математическое описание информации и осно­вал новую область науки, впоследствии названную теорией информации. Шен­нон трактовал информацию как уменьшение неопределенности. Например, Вы не получаете никакой информации, если кто-то сообщает Вам, что сегодня воскресенье, а Вы это знаете. С другой стороны, если Вы не уверены, ка­кой сегодня день недели, и кто-то говорит Вам - воскресенье, Вы получае­те информацию, так как неопределенность уменьшается.

Теория информации Шеннона привела в конечном счете к значительным прорывам в познании. Один из них - эффективное сжатие данных, принципи­ально важное как в вычислительной технике, так и в области связи. Ска­занное Шенноном, на первый взгляд, кажется очевидным: элементы данных, не передающие уникальную информацию, избыточны и могут быть отброшены. Так поступают репортеры, исключая несущественные слова, или те, кто пла­тит за каждое слово, отправляя телеграмму или давая рекламу. Шеннон при­вел пример: в английском языке буква U лишняя в тех местах, где она сто­ит после буквы Q. Поэтому, зная, что U следует за каждой Q, в сообщении ее можно опустить.

Принципы Шеннона применяли к сжатию и звуков, и фильмов. В тридцати кадрах, из которых состоит секунда видеозаписи, избыточной информации чрезвычайно много. Эту информацию при передаче можно сжать примерно с 27 миллионов бит до 1 миллиона, и она не потеряет ни смысла, ни красок.

Однако сжатие не безгранично, а объемы передаваемой информации все возрастают и возрастают. В скором будущем биты будут передаваться и по медным проводам, и в эфире, и по информационной магистрали, в основу ко­торой лягут волоконно-оптические кабели. Волоконно-оптический кабель представляет собой пучок стеклянных или пластмассовых проводов настолько однородных и прозрачных, что на другом конце стокилометрового кабеля Вы сможете разглядеть горящую свечу. Двоичные сигналы в виде модулированных световых волн смогут без затухания распространяться по этим кабелям на очень длинные расстояния. Естественно, по волоконно-оптическим кабелям сигналы идут не быстрее, чем по медным проводам: скорость движения не может превысить скорость света. Колоссальное преимущество волоконно-оп­тического кабеля над медным проводом - в полосе пропускания. Полоса про­пускания - это количество бит, передаваемых по одной линии в секунду. Такой кабель подобен широкой автомагистрали. Восьмирядная магистраль, проложенная между штатами, пропускает больше автомобилей, чем узкая грунтовая дорога. Чем шире полоса пропускания кабеля (чем больше рядов у дороги), тем больше бит (машин) могут пройти по нему в секунду. Кабели с ограниченной полосой пропускания, используемые для передачи текста или речи, называются узкополосными; с более широкими возможностями, несущие изображения и фрагменты с ограниченной анимацией, - среднеполосными. А кабели с высокой пропускной способностью, позволяющие передавать мно­жество видео- и аудиосигналов, принято называть широкополосными.

Информационная магистраль, немыслимая без сжатия данных, потребует применения кабелей с очень высокой пропускной способностью. Тут-то и кроется одна из главных причин, почему информационная магистраль до сих пор не построена: современные коммуникационные сети не могут обеспечить нужной полосы пропускания. И не обеспечат, пока их не заменят волокон­но-оптические линии. Волоконная оптика - пример технологии, выходящей далеко за рамки того, что могли предвидеть Беббидж или даже Эккерт и Мо­учли. То же относится и к темпам, с которыми улучшается быстродействие и емкость микросхем.

В 1965 году Гордон Мур (Gordon Moore), впоследствии вместе с Бобом Нойсом основавший фирму Intel, предсказал, что число транзисторов в компьютерных чипах ежегодно будет удваиваться. Его предсказание базиро­валось на соотношении "цена/качество" компьютерных чипов за предыдущие 3 года и предположении, что в ближайшее время эта тенденция сохранится. Правда, Мур не очень-то верил, что такая скорость эволюции чипов прод­лится долго. Но прошло 10 лет, предсказание сбылось, и тогда он заявил, что теперь емкость будет удваиваться каждые 2 года. Его слова оправдыва­ются и по сей день: число транзисторов в микропроцессорах удваивается в среднем каждые 18 месяцев. Среди инженеров эту зависимость принято назы­вать законом Мура.

Опыт повседневной жизни бессилен перед скрытым смыслом периодически удваивающихся чисел - экспоненциальной прогрессией. Мы попытаемся вник­нуть в этот смысл, вспомнив древнюю легенду.

Правитель Индии Ширхам (Shirham) так обрадовался, когда один из его министров изобрел шахматы, что разрешил ему выбрать любую награду.

"Владыка, - сказал министр, - дай мне столько зерен пшеницы, сколько уместится на шахматной доске: одно зернышко - на первую клетку, на вто­рую клетку - 2 зернышка, на третью - 4 и пусть так удваивают число зер­нышек на каждой клетке вплоть до шестьдесят четвертой". Правитель немало удивился такой скромности, но велел принести мешок пшеницы.

И вот зернышки стали отсчитывать на шахматной доске. На первую клетку в первом ряду положили одно маленькое зернышко. На вторую - 2 зернышка, на третью - 4 и далее: 8, 16, 32, 64, 128. Когда первый ряд был запол­нен, кладовщик насчитал в нем всего 255 зернышек.

Правитель, наверное, еще ничего не подозревал. Разве что зернышек на первом ряду оказалось многовато, но волноваться вроде бы не о чем. До­пустим, на одно зернышко уходила одна секунда, значит, подсчет пока за­нял не более четырех минут. А если на один ряд потребовалось четыре ми­нуты, попробуйте догадаться, сколько времени нужно на подсчет зернышек пшеницы на всех клетках. Четыре часа ? Четыре дня ? Четыре года ?

К тому времени, когда покончили со вторым рядом, кладовщик трудился уже 18 часов, отсчитав 65535 зернышек. На третий из восьми рядов, чтобы отсчитать 16,8 миллионов зернышек (24 клетки), понадобилось 194 дня. А ведь оставалось еще 40 пустых клеток.

Думаю, Вы понимаете: правитель отказался от своего обещания ! На пос­ледней клетке должна была вырасти гора из 18446744073709551615 зернышек пшеницы, и на их отсчитывание ушло бы 584 миллиарда лет. Сравните: воз­раст Земли оценивают где-то в 4,5 миллиарда лет. Согласно большинству версий этой легенды, правитель Ширхам в конце концов понял, как ловко его провели, и велел казнить этого министра-умника. Так что экспоненци­альная прогрессия, даже когда ее поймешь, кажется чистым фокусом.

Число транзисторов в микропроцессорах Intel удваивалось примерно каж­дые 18 месяцев - в соответствии с законом Мура.

Закон Мура, по всей видимости, будет действовать еще лет двадцать. И тогда вычисления, занимающие сегодня сутки, будут проводиться в 10000 раз быстрее, т.е. не потребуют более десяти секунд.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   40


Похожие:

Дорога в будущее iconБилл Гейтс Дорога в Будущее б илл Гейтс Дорога в Будущее
Его книга взгляд с высоты птичьего полета на неизведанные земли, по которым вскоре пройдет информационная магистраль; авторитетный,...
Дорога в будущее iconДорога в будущее
Его книга взгляд с высоты птичьего полета на неизведанные земли, по которым вскоре пройдет информационная магистраль; авторитетный,...
Дорога в будущее iconДорога в будущее
Накануне 21-го века на нас обрушился нескончаемый поток разговоров и рассуждений на тему информационной магистрали (information highway)...
Дорога в будущее iconГид портрет поколения
«В нашей работе дорога Отважные «Препятствия нужно у большого тенниса каждая минута!»
Дорога в будущее iconЗакон о валютном регулировании
«Железная дорога Молдо- 38-40 закон есть закон вы» выделила собственные
Дорога в будущее iconБудущее в твоих руках! Опыт сотрудничества бизнеса, нко и государства по вовлечению молодежи в социальную и экономическую жизнь ООО «Проект Форте» Москва, 2009
Б90 будущее – в твоих руках! Опыт сотрудничества бизнеса, нко и государства по вовлечению молодежи
Дорога в будущее iconНпо «Гулливер» «Канатная дорога обеспечит казанцам выход к Волге»
Президент «лукойл» Вагит Алекперов (слева) нашел подход к властям Татарстана (справа — Президент рт рустам Минниханов)
Дорога в будущее iconПротокол заседания Экспертной комиссии второго отборочного тура студенческого конкурса среди учащихся вузов г. Москвы – «Международная система и исследование глобальных городов на примере г. Москвы: прошлое, настоящее, будущее»
Вузов г. Москвы – «Международная система и исследование глобальных городов на примере г. Москвы: прошлое, настоящее, будущее»
Дорога в будущее iconОбщие положения
«Твоя дорога в бизнес» (далее – Конкурс), требования к составу участников Конкурса и представлению материалов, формирование организационного...
Дорога в будущее iconИнвестиционное предложение
Волчанск, ул. Ленина, 16, что входит в состав землель запаса Волчанского городского совета и расположен в центре города. Обеспечен...
Разместите кнопку на своём сайте:
Бизнес-планы


База данных защищена авторским правом ©bus.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Бизнес-планы
Главная страница