Tekniker i framtidens datorer. Mathias Alexandersson man00007@student.mdh.se Peter Wilhelmsson pvn01001@student.mdh.se

Transkript

1 Tekniker i framtidens datorer Mathias Alexandersson man00007@student.mdh.se Peter Wilhelmsson pvn01001@student.mdh.se

2 SAMMANFATTNING Dagens kiselbaserade teknik börjar närma sig den punkten då den inte längre kan utvecklas enligt Moores lag 1. Den här artikeln tittar närmare på några av de nya teknologierna som är på gång, och som på sikt kan komma att ersätta dagens datorer. DNA-datorn, som presenterades i början av 90-talet, använder DNA-strängar för att utföra många beräkningar parallellt. Detta gör att de kan lösa vissa matematiska problem som med dagens datorer skulle ta väldigt lång tid. Ännu har man inte lyckats bygga någon egentlig DNA-dator, endast ett par enkla prototyper som visar hur de skulle kunna fungera. Kvantdatorn utnyttjar kvantmekaniken för att utföra beräkningar. Idén bygger på att kvantpartiklar kan befinna sig i olika tillstånd samtidigt och därmed på samma gång representera både ett och noll med olika sannolikheter. Register av sådana kvantbitar kan då innehålla alla möjliga kombinationer och möjliggöra snabba uträkningar. I dagsläget finns än så länge bara några enkla prototyper med ganska låg kapacitet. Holografisk lagring har det forskats länge om och man har även lyckats att bygga några enklare modeller. Idén med holografisk lagring är att man skall utnyttja hela lagringsmaterialet istället för att enbart lagra på ytan. Det innebär att det skulle vara möjligt att lagra mycket större mängder än vad dagens lagringsteknik tillåter. Utskrivbara datorer innebär att man skall kunna skriva ut en dator på nästan samma vis som man skriver ut en bild med en bläckstråleskrivare. För att få detta att fungera behöver man ha flexibla kretsar så att de inte går sönder. Den största fördelen med dessa datorer skulle vara att de är lätta att dölja och man kan använda dem till nya ändamål som i till exempel smarta kläder och förpackningar. Genom att använda små rör av kol vid tillverkningen av kretsar istället för koppar kan det vara möjligt att förlänga den tiden som vi kan använda kiselbaserade kretsar i datorer. Kolrören kan göras mindre än kopparledare utan att försämra kretsens pålitlighet och därmed öka hastigheten. 1 Moores Lag, Enligt Moore kommer utvecklingen leda till att kapaciteten hos datorer fördubblas var 18:e månad. 2

3 INNEHÅLLSFÖRTECKNING SAMMANFATTNING... 2 INNEHÅLLSFÖRTECKNING... 3 INLEDNING... 4 Framtida Tekniker... 4 DNA-datorn... 4 DNA-datorns historia... 4 Adlemans experiment... 4 Användningsområden... 5 Kvantdatorn... 5 Vad är en kvantdator... 5 Kvantdatorns historia... 5 Kvantdatorn idag... 6 Användningsområden... 6 Holografiskt minne... 6 Från 2D till 3D... 6 En gammal idé... 6 Hur fungerar det... 7 Utskrivbara Datorer... 7 Billigare tillverkning... 7 Flexibla kretsar... 7 Vad finns idag... 8 Låg hastighet... 8 Kol i kretsar... 8 SLUTSATSER... 9 REFERENSER

4 INLEDNING I denna rapport så har vi valt att titta närmare på några av de framtida tekniker som kan komma att användas för att öka datorns kapacitet eller göra det möjligt att använda datorn på nya vis. Det är tekniker som forskarna redan har kommit en bra bit på vägen i och som kan komma att användas inom en inte allt för avlägsen framtid. Det fattas en del utveckling innan de kan komma till nytta i det vardagliga livet. De tekniker som tas upp är DNA-datorer, kvantdatorer, datorer med flexibla kretsar, holografiskt minne och möjligheterna att använda mycket små rör av kol som ledare. Framtida Tekniker DNA-datorn DNA-datorns historia DNA-datorn introducerades 1994 av Leonard Adleman, som i sin artikel visade hur ett problem med en riktad hamiltongraf (också känd som Den resande handelsmannen ) kan lösas med hjälp av DNA (se Adlemans experiment ). Även om just det problemet hade kunnats lösas snabbare med en vanlig dator eller med penna och papper, visade det att DNA kunde användas för beräkningar. [Adleman] Det nästa stora steget kom tre år senare, då några forskare vid University of Rochester lyckades framställa logiska grindar av DNA. Logiska grindar är byggstenarna i dagens datorer, och att kunna bygga sådana grindar är ett stort steg mot att kunna konstruera DNAdatorer med en arkitektur liknande den vi har idag kom en annan milstolpe då forskare vid Weissman institutet i Israel lyckades konstruera en enkel DNA-dator baserad på Turning-maskinen. Det var en finit automat med två tillstånd som kan säga om en sträng av ettor och nollor har ett jämt eller udda antal ettor. Detta visade att det var möjligt att utföra mer avancerade operationer med DNA-datorer. [BPKLS] Adlemans experiment Problemet går ut på att i en graf med noder som är ihopkopplade med enkelriktade kanter hitta en väg från start-nod till en slut-nod, som passerar de övriga noderna en och endast en gång. I Adlemans experiment fanns det sju sådana noder, benämnda O 0 till O 6. Dessa noder representerades med DNA-kedjor som var 20 baser långa. Sekvenserna i kedjorna var slumpmässigt utvalda. Sedan skapades kedjor som representerade vägarna emellan städerna. Dessa bestod av de tio sista baserna från staden som vägen gick ifrån, och de tio första baserna i staden som vägen gick till. 1. DNA-kedjor kopierades upp i stora mängder (ca 3x10^13 ex av varje) med hjälp av ligation 1, och blandades i ett provrör. På bara ett par sekunder kopplade kedjorna ihop sig i alla tänkbara kombinationer. 2. Kombinationer med rätt start- och slutstad kopierades upp genom PCR-teknik 2 3. Ur resultatet från steg 3 kördes genom en agarosgel 3 och sedan behöll man endast de kombinationer som innehöll exakt sju noder. 1 ligation, en teknik för att koppla ihop och kopiera DNA-strängar 2 PCR, Polymerase Chain Reaction, en teknik som genom kedjereaktioner kopierar DNA-strängar 3 agarosgel, en speciell gel som används för att bl.a. mäta längden på DNA-strängar 4

5 4. Kombinationer som passerade genom nod O 1 plockades ut genom biotin-avidin system, där små magnetiska kulor binds till en specifik DNA-sekvens och gör att man kan plocka ut kedjor som innehåller just den sekvensen. Detta upprepades sedan för noderna O 2 till och med O 5. Efter detta fanns bara den korrekta lösningen kvar, och problemet var därmed löst. Hela experimentet tog ca en vecka att utföra. [Adleman] Användningsområden DNA-datorer kommer förmodligen till en början mest att användas för att lösa matematiska problem som dagens datorer inte klarar av, till exempel för att knäcka krypteringar eller planera effektiva färdrutter för flygtrafik och dylikt. På längre sikt kan DNA användas för att lagra stora mängder data, då en kubikcentimeter DNA kan rymma ca 10 terabyte data, vilket gör kapaciteten många gånger större än dagens lagringsmetoder. DNA-datorernas storlek kan också spela en viktig roll för utvecklingen. DNA-datorerna kan även komma att få en stor betydelse inom medicinen. De skulle rent teoretiskt kunna injiceras i patienter för att bevaka deras tillstånd och snabbt kunna reagera på förändringar och vidta åtgärder. Kvantdatorn Vad är en kvantdator Den största skillnaden mellan kvantdatorer och dagens datorer är hur data representeras. I dagens datorer används bitar för att representera ettor och nollor. Dessa bitar befinner sig alltid i ett tillstånd. Data representeras av listor av ettor och nollor. En kvantdator använder sig av kvantbitar eller qubitar. Dessa kvantbitar representeras av enskilda atomer. Till skillnad från vanliga bitar har dessa kvantbitar egenskapen att de kan befinna sig i ett supertillstånd, där de befinner sig i båda tillstånden samtidigt, både ett och noll [MH] med lika sannolikhet. Dessa kvantbitar representeras av kvantpartiklar vars värde bestäms av dess rörelser. Kvantbitarna samlas i register som kan innehålla alla möjliga kombinationer samtidigt. Kvandatorn arbetar genom att påverka dessa kvantbitar. Tack vare att kvantbitarna kan vara både ett och noll kan en kvantdator utföra flera uträkningar parallellt [MH]. Kvantdatorns historia Idén till kvantdatorn föddes i slutet av 1970-talet. Forskarna började inse att kiselteknologin slutligen skulle komma till en punkt när de skulle behöva göras väldigt små, endast bestående av ett par atomer, och man började fråga sig om man inte skulle kunna utnyttja kvantmekaniken för att bygga datorer. Richard Feynman var en av de första som försökte visa att detta var möjligt. Med en abstrakt modell visade han 1982 att kvantmekaniken kunde användas i datorer. Dessutom skulle en sådan dator kunna simulera kvantmekaniken. 5

6 1985 skrev David Deutsch en avhandling där han visade att alla fysiska processer skulle kunna beräknas med en kvantdator. Efter det började men leta efter intressanta problem som kunde lösas med en sådan maskin visade Shor hur man med hjälp av ett par specifikt utformade metoder kunde använda kvantdatorer för att faktorisera stora tal mycket snabbare än med traditionella datorer. Detta genombrott ökade intresset för kvantdatorn, och utvecklingen av prototyper började. [SH] Kvantdatorn idag Man har ännu inte byggt någon riktig kvantdator, men flera fungerande prototyper har konstruerats. Än så länge har man bara byggt datorer med en kapacitet av 7 kvantbitar, och man har bara kunnat utföra enklare beräkningar, som enkla faktoriseringar. Användningsområden Kvantdatorernas huvudsakliga användningsområde är matematiska problem. De är i dagens läge inte användbara till t ex ordbehandling. Ett stort område är kryptoteknik. Dagens krypteringsalgoritmer bygger på svårigheten att faktorisera stora tal, till exempel RSA som används för säker överföring av data på Internet. Med en kvantdator skulle man snabbt kunna faktorisera tal och knäcka dessa krypteringar. Likväl skulle man med hjälp av kvantdatorer kunna skapa nya krypteringsalgoritmer som skulle vara mycket säkrare än de som vi har idag. Kvantdatorer skulle även kunna användas för att snabbt söka i stora databaser [MH2][GR]. Holografiskt minne Från 2D till 3D Man har under de senaste 15 åren använt optik vid lagring av data. Några exempel på detta är CD- och DVD-skivor men med dessa lagringsmetoder lagrar man fortfarande data på en tvådimensionell yta. Något som forskarna jobbat flitigt med under en ganska lång tid är att lagra data tredimensionell. Med denna teknik skulle det vara möjligt att avsevärt öka lagringskapaciteten eftersom man kan utnyttja en mycket större del av materialet som man lagrar i. Detta skulle dock inte vara den enda fördelen, även hastigheten skulle få en kraftig ökning eftersom man kan läsa av stora block av data på en och samma gång. [Bonsor1] En gammal idé Idén att lagra tredimensionellt är knappast ny utan kan dateras till 1963 då Pieter J. van Heerden föreslog att man skulle lagra på detta vis. De första lyckade försöken att lagra holografiska minnen skedde i början på 70-talet då några forskare på RCA Laboratorium lyckades lagra 500 hologram i en kristall. Trots denna framgång blev detta inget genombrott eftersom andra enklare lagringsmetoder också utvecklades betydligt. Det var först i början på 90-talet som man återigen började göra seriösa försök att lagra holografiskt och 1993 lyckades man lagra hologram som totalt var ca 100 MB. 6

7 Hur fungerar det Cirka 1 terabyte räknar man med att kunna lagra i en sockerbitsstor kristall [Bonsor1]. I ett holografiskt minne så lagras data som ett mönster i ett ljuskänsligt material. Detta mönster skapas först i en form av LCD (liquid crystal display) sedan genomlyses denna av en blå-grön laser och bildar en så kallad signal. Där signalen och en annan laser kallad för referenslaser korsas bildas mönstret. Dessa laserstrålar kommer ursprungligen från en och samma laser som delas upp och ta olika vägar till lagringsmediet. När man vill läsa från det holografiska minnet så lyser man genom kuben endast med referenslasern i samma vinkel som den hade då man skrev in datat och återskapar på detta vis en hel sida data på en och samma gång. Figur 1: Övergripande bild av hur lagring av data sker Hur mycket det kommer att vara möjligt att lagra i framtiden med hjälp av holografiskt minne beror framförallt på två saker: hur stor volym som kuben har och hur precis avläsningen kan göras. Om vinkeln som man läser av sida i ett hologram skulle skilja sig för mycket från den vinkeln man hade då datat skrevs in kan det bli helt oläsligt på grund av att andra holografier också läses av och därmed stör detektorns bild av hologrammet. Hur mycket inskrivningsvinkeln och avläsningsvinkeln får skilja beror till en stor del på hur tätt de olika sidorna i kuben ligger [PM]. Eftersom man kommer att utnyttja mycket större del av materialen och inte enbart ytorna så kommer lagringskapaciteten öka mångfalt jämfört med dagens lagringsmedia. Utskrivbara Datorer Billigare tillverkning En anledning till att datorer nu för tiden är så dyra är att det är dyrt och tidskrävande att tillverka datorns komponenter. En lösning som forskarna jobbar på är att tillverka datorer som man helt enkelt kan skriva ut med hjälp av en form av skrivare inte helt olik en vanlig bläckstråleskrivare vilket naturligtvis skulle sänka kostnaderna avsevärt. Flexibla kretsar Det finns flera fördelar med att kunna "skriva" datorkomponenter, dels genom att det antagligen kommer att sänka kostnaderna och dels så blir det med flexibelt "bläck" möjligt att bygga in datorer i kläder och andra tyger eller material där det krävs att kretsarna är flexibla för att inte gå sönder. Det kommer också att vara enkelt att dölja dem då de blir mycket tunna. 7

8 Forskare vid MIT lyckades för några år sedan att tillverka ett antal delar som vore nödvändiga för att konstruera en komplett dator, bland annat transistorer [Bonsor2]. För detta använde de ett nanopartikelbaserat bläck. Det var dock inte enbart på MIT som arbetet med att få fram billiga och flexibla kretsar pågick. Plastic Logic, ett företag som har sitt ursprung i Cambridge universitet har lyckats tillverka flexibla transistorer av plast. De tillsätter kolbaserade kemikalier i plasten som de sedan kan applicera på diverse ytor. [Bonsor2] Nanopartikelbaserat bläck är uppbyggt av ett mycket stor antal mycket små kapslar fyllda med en oljesubstans. I dessa kapslar finns det även mycket små kulor eller flagor som är negativt laddat. Vad finns idag Ett Svensk företag, Cypak, har lyckats tillverka en dator som till stor del består av utskrivbara kretsar. Den kan samla, kryptera, processa och lagra upp till 32 Kbyte data. Det är möjligt att läsa av data till en pc genom en radio-frequency identification (RFID) krets. Cypak har använt sin dator till att tillverka medicinalförpackningar som håller reda på hur mycket medicin personen har tagit och de har även använt den för att tillverka säkra paket. Det blir möjligt för mottagaren att kontrollera att ingen har öppnat paketet. [LDP] Låg hastighet Även om det finns många fördelar med användandet av plast i kretsar så kommer fortfarande kisel vara med en ganska så lång tid framöver då tekniken vi har för tillfället fortfarande är betydligt bättre när det gäller att tillverka mycket små detaljer med kisel än med plast. Därmed blir kiselkretsarna betydligt snabbare då avstånden är mindre än i de kretsar som är tillverkade av plast. [Bonsor2] Kol i kretsar NASA lyckades 2003 att ta fram en ny tillverkningsmetod som mycket väl kan förlänga tiden som vi kommer att använda kiselchip. De använder sig av mycket små rör tillverkade av kol, de är så små att de mäts i nanometer. Dessa rör i kol använde istället för kopparledare för att koppla ihop delarna i integrerade kretsar. "Our process allows us to use the tiny carbon nanotubes to replace copper to interconnect network layers on silicon chips" säger Meyya Meyyappan, på Centret för Nanoteknologi vid NASA. [NASA] Anledningen till att det blir mycket snabbare med kol är att de komponenterna som man kan tillverka av kol blir mycket mindre än de som används för tillfället och med kortare avstånd ökar hastigheten. Anledningen till att man kan bygga mindre komponenter i kol än i koppar beror på att de i koppar får en för hög resistans när de blir väldigt små. Rören av kol har en lägre resistans även när de blir betydligt mindre vilket gör att de klarar av mycket hög ström utan att det blir några försämringar. [NASA] 8

9 SLUTSATSER Det ser ut som att kiseltekniken börjar närma sig punkten då den inte längre kan utvecklas mer, och man måste vända sig till nya tekniker för att bygga mindre och snabbare datorer. Det finns idag flera olika nya tekniker under utveckling som kan komma att ersätta kislet. Dock så kan den nya koltekniken förlänga livet på kiseltekniken något. Både DNA- och kvantdatorerna kan komma att ta över. Det är mycket möjligt att man kommer att ha olika typer av tekniker för olika användningsområden. Det känns som att den teknologi som ligger närmast när det gäller lagring är holografin då den faktiskt inte skiljer sig väldigt mycket från dagens teknik men ändå ökar kapaciteten avsevärt. Det är svårt att avgöra vilken eller vilka tekniker som kommer att dominera i framtiden då alla fortfarande är på väldigt experimentella stadier. Men de som vi tagit upp är några av de intressantare och väletablerade. 9

10 REFERENSER [Adleman] L. Adleman, Molecular computation of solutions to combinatorial problems, Science Nov 11;266(5187): [Bonsor1] K. Bonsor, How Holographic Memory Will Work, HowStuffsWorks, [cited ] < [Bonsor2] K. Bonsor, How Printable Computers Will Work, HowStuffsWorks, [cited ] < [BPKLS] K., Benenson, T., Paz-Elitzur, R., Adar, E., Keinan, Z., Livneh and E. Shapiro. (2001) Programmable computing machine made of biomolecules,. Nature 414, s [GR] L. K.Grover,J Radhakrishnan, Quantum search for multiple items using parallel queries,2004 [LDP] L. Dailey Paulson, Company Develops Disposable Paper Computer, Computer, vol. 37, No. 6, page 19, 2004 [MH1] M. Hayward, "Quantum Computing and Shor's Algorithm",1999, < [MH2] M. Hayward, Quantum Computing and Grover's Algorithm.,2001, < [NASA] M. Braukus, J. Bluck, NASA Improves Computers With Tiny Carbon Tubes On Silicon Chips, NASA homepage, [cited ] < [PM] D. Psaltis, F. Mok, Holographic memories, Scientific America, vol. 273, pages 70-77, 1995 [SH] P. W. Shor, Algorithms for quantum computation: discrete logarithms and factoring, Foundations of Computer Science, 1994 Proceedings., 35th Annual Symposium on,