پردازش در خارج از مرزهای صفر و یک!

بهنام علیمحمدی

از زمانی که صنایع دریافتند که می‌توانند کارهای خود را به‌وسيله ماشین‌های پردازشی انجام دهند، «صفر و یک» به یک مفهوم فراگیر تبدیل شد. شاید تا پيش از این زمان، اعداد صفر و یک ارزش چنداني در میان متغیرها نداشتند، اما با تولد پردازش‌های دیجیتالی، این صفر و یک بودند که بر اعداد دیگر تسلط یافتند.

 بدون تردید آنچه از کامپیوترهای نسل گذشته در اذهان تداعی می‌شود، تفاوت‌های‌ زیادی با سیستم‌های پردازشی مدرن امروزی دارند و دیگر از ماشین‌های غول‌پیکر پردازشی خبری نیست. این دگردیسی فناورانه بیانگر مفهوم «رشد» بر بستر سیلیکون است که کماکان نیز ادامه دارد. اگرچه کامپیوترهای امروزی در درک صحیح‌تر و پردازش سریع‌تر فرامین، رشد بالایی را تجربه کرده‌اند اما محدودیت فیزیکی و سیلیکونی، ارايه هر نوع طراحی خلاقانه را برای ساخت پردازشگرهای فوق‌سریع با ناتوانی مواجه کرده است. در سال‌های اخیر، قانون مور با چالشی جدی مواجه شده و در سه سال آینده دیگر امکان کاهش نانومترهای ویفرهای سیلیکونی امکان‌پذیر نیست. با این وجود به‌نظر می‌رسد لیتوگرافی 7 نانومتر، بن‌بست سیلیکونی برای سازندگان تراشه است و ارايه نكردن نقشه راه سیلیکونی شرکت‌هایی چون اینتل برای پنج سال آینده نیز موید پایان حکمرانی سیلیکون بر سرزمین تراشه‌ها است.

 از نیم‌دهه گذشته، کارشناسان به‌دنبال ماده جایگزین برای سیلیکون هستند و با تحقیقات گسترده، نانولوله‌های کربنی با نام گرافن را انتخاب کردند. هرچند به لحاظ خواص فیزیکی، گرافن انعطاف‌پذیری بیشتری نسبت به سیلیکون دارد، این ماده نیز به‌دلیل مشکلات به‌کارگیری در مقیاس‌های مختلف و همچنین قیمت تمام‌شده، نتوانست جایگزین شایسته‌ای برای سیلیکون باشد. اما به‌تازگی فیزیک کوانتوم وارد میدان شده تا معنای پردازش را به‌شکلی بنیادین تغییر دهد. تغییر در روش تولید ترانزیستورهای جدید ماده بنیان با اندازه‌ای بسیار کوچک‌تر و همچنین بهبود چشمگیر پردازش‌های محاسباتی، دو نتیجه برجسته کامپیوترهای کوانتومی هستند.

در پردازش‌های سیلیکون‌محور، دو حالت صفر و یک برای داده‌ها متصور است و ترانزیستورها نیز در دو حالت روشن یا خاموش فعالیت می‌کنند. بزرگ‌ترین چالش در کوچک‌تر شدن ترانزیستورهای سیلیکونی، افزایش مصرف انرژی و گرمای تولیدی در دریچه‌های ورودی و خروجی است. اما کامپیوترهای کوانتومی از این مشکلات مبرا هستند و علاوه بر صفر و یک، می‌توانند در یک لحظه از هر دو مقدار برخوردار باشند. این موجب می‌شود تا کیوبیت‌ها بتوانند عملیات محاسباتی بسیار بالایی را در یک لحظه پیگیری کنند. این در حالی است که پردازش در سیستم‌های سیلیکونی بسیار محدود و در مقایسه با کیوبیت‌ها ناچیز است. در کامپیوترهای سیلیکون‌پایه، الکترون‌ها می‌توانند بر مبنای روش «دودویی» به‌صورت بالا به پایین یا پایین به بالا بچرخند، اما در کامپیوترهای کوانتومی الکترون‌ها قادرند در هر لحظه در تمامی جهات چرخش داشته باشند. این نوع گردش موجب می‌شود پردازشگرهای کوانتومی امکان انجام محاسبات بسیار گسترده و به‌صورت موازی را برای سیستم‌های محاسباتی فراهم کنند. این مثال موضوع را روشن‌تر می‌کند: کامپیوتری با هشت بیت حافظه فقط می‌تواند در یک لحظه در یکی از 256 حالت قابل ارزیابی قرار گیرد، حال آنکه یک کامپیوتر کوانتومی این قابلیت را دارد تا در سه حالت قرار گرفته و در یک لحظه به‌صورت همزمان 256 حالت پردازشی را به خود اختصاص دهد. این موجب می‌شود در هر لحظه با قرارگرفتن در یک حالت، به نیاز پردازشی سیستم پاسخ گفته و بقيه محاسبات را به‌صورت موازی انجام دهد. نکته مهم اینکه تمامي محاسبات کوانتومی با اتکا بر سه مولفه اصلی مکانیک کوانتومی شامل برهم‌نهی، تونل‌زنی و درهم‌تنیدگی کوانتومی صورت می‌گیرد. کیوبیت‌ها مهم‌ترین واحد سیستم‌های کوانتومی و در واقع الکترون‌هایی هستند که اجتماع آنها در کنار یکدیگر می‌تواند یک پردازنده یا ذخیره‌ساز حافظه را به‌وجود آورد. خاصیت قرارگیری در چند حالت، مهمترین مزیت برجسته در کیوبیت‌ها هستند که باعث می‌شود کیوبیت‌ها بتوانند عملیات پردازش و محاسبه را میلیاردها بار سریع‌تر از پردازشگرها و حتی سوپرکامپیوترهای حال حاضر جهان انجام دهند. شاید حیرات‌انگیز باشد، اما یک کامپیوتر 30 کیوبیتی که به لحاظ کارکرد، پرفورمنسی برابر با یک کامپیوتر معمولی دارد، می‌تواند محاسبه‌ای برابر با 10 ترافلاپس را در کسری از ثانیه انجام دهد.

اكنون دژهای دیجیتال «صفر و یک» در حال فروریختن است و به‌زودی پروژه‌هایی چون D-Wave 2X مفهوم فرکانس، کلاک و پردازش را دگرگون خواهند ساخت.

نقش ورزش را در زندگی پررنگ کنید

معرفی چند اپلیکیشن کاربردی

هیجان UFC روی نوک انگشتان شما

دیدگاه‌ها

    ارسال دیدگاه