Πανεπιστήμιο Αιγαίου

Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και ΕπικοινωνιακώνΣυστημάτων

Εισαγωγή στην Επιστήμη των

Υπολογιστών και Επικοινωνιών

1. Τεχνολογία Υπολογιστικών Συστημάτων

2. Στοιχεία Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών

3. Αρχές Ηλεκτρονικής

Νίκος Κονοφάος

Επίκουρος Καθηγητής

Σάμος 2011

Διάρθρωση Διαλέξεων

• Εισαγωγή, Ιστορικά στοιχεία.• Σημερινή κατάσταση, οι υπολογιστές σήμερα:

Δομικά στοιχεία, Τεχνολογία, Εξελίξεις

• Νέες τάσεις, Νανο-Υπολογιστές:• Ηλεκτρονικοί (Electronic)• Χημικοί και Βιοχημικοί (Chemical and Biochemical)• Μηχανικοί (Mechanical)• Κβαντικοί (Quantum).

• Οπτικοί Υπολογιστές• Το μέλλον……• Συμπεράσματα.

ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΦΑΝΤΑΣΙΑΔΙΑΣΗΜΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΣΕΤΑΙΝΙΕΣ ΚΑΙ ΜΥΘΙΣΤΟΡΗΜΑΤΑ

HAL 90002001 ΟΔΥΣΣΕΙΑ

ΤΟΥΔΙΑΣΤΗΜΑΤΟΣ

The Engine, Gulliver's Travels. Multivac (Isaac Asimov)Alpha-60 (Alphaville,1965) Alfie (Barbarella,1968) MU-TH-R 182 Mother (Alien 1979) The Matrix (The Matrix series 1999….)

• Τι είναι ένας υπολογιστής; Τι είναι έναςΗλεκτρονικός υπολογιστής;

• Γιατί και πώς δουλεύει με τους τρόπουςπου γνωρίζουμε;

• Από τι αποτελείται; Πώς κατασκευάζεται;• Γιατί συνεχώς οι υπολογιστές γίνονταιμικρότεροι, και κάνουν περισσότεραπράγματα;

ΙστορικάΙστορικά στοιχείαστοιχεία..Πριν δούμε το μέλλον,

ας ρίξουμε πρώτα μια ματιάστο παρελθόν.

Άβαξ14ος αιώνας π.Χ.Απλό υπολογιστικό σύστημα

Σύνθετο αναλογικό υπολογιστικόσύστημα (1ος αι. π.Χ.)

• Το 1822, ο Άγγλος καθηγητής ΜαθηματικώνCharles Babbage (1791 – 1871), έπεισε τηνΒρετανική κυβέρνηση να χρηματοδοτήσει τασχέδιά του για την κατασκευή μιας μηχανήςπου θα μπορούσε να υπολογίζει τουςλογαριθμικούς πίνακες.

• Με την κατασκευή της Αναλυτικής Μηχανής(Analytical Engine) το 1833, οι υπολογιστέςπαίρνουν την μορφή μηχανών γενικής χρήσης.

PASCAL (1623)

ENIAC 1946

• Υπολογιστής πουχρησιμοποιήθηκεγια το πυρηνικόπρόγραμμα καιΥπήρχεδυνατότηταεπανα-προγραμματισμού.

• ALTAIR (1975)

• IBM (PC)1981

• MACINTOSH (1984)

Σημερινήκατάσταση

1. Υπερυπολογιστές (Supercomputers)

2. Μεγάλα Συστήματα (Mainframes)

3. Σταθμοί εργασίας (Workstations)

4. Μικροϋπολογιστές (Microcomputers)

5. Μικροελεγκτές (Microcontrollers)

Μεγάλα Συστήματα(Mainframes)

Υπερυπολογιστές(Supercomputers) Workstation: Sun Ultra450

microcomputer

Personal Digital Assistant

ΕΠΙΠΕΔΑ ΜΕΛΕΤΗΣΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΕΠΙΠΕΔΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

ΕΠΙΠΕΔΟ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ

ΕΠΙΠΕΔΟ ΛΟΓΙΚΗΣ

ΕΠΙΠΕΔΟ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ

ΕΠΙΠΕΔΟ ΔΙΑΤΑΞΗΣ

ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟBottom-up

Top-down

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΤο Σύνολο των Τεχνικών που χρησιμοποιούν

τις Μεταβολές Ηλεκτρικών Μεγεθών

(Ηλεκτρομαγνητικών Πεδίων, Πληθυσμών Φωτονίων και Ηλεκτρικών Φορέων)

για να συλλάβουν, να διαβιβάσουν και να εκμεταλλευτούν

μια Πληροφορία.

ΑΤΟΜΟ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΠΛΑΚΕΤΑ

Η πληροφορία μπορεί να είναι άμεσα αντιληπτή από εμάς, όπως μια φωνή ή μια εικόνα μπορεί όμως και να τηναντιλαμβανόμαστε με την βοήθεια οργάνων που εμείς έχουμεεπινοήσει και κατασκευάσει όπως το ραδιόφωνο, η τηλεόραση ή καιακόμα πιο εξελιγμένες συσκευές όπως το radar ή οι δορυφόροι. Ηπληροφορία, (το μήνυμα) μπορεί να είναι δημιούργημα του ανθρώπουόπως στις διάφορες τηλεπικοινωνίες, μπορεί όμως να είναι έναμήνυμα από κάποιο φυσικό φαινόμενο, μικροσκοπικό ήμακροσκοπικό, όπως για παράδειγμα το ράδιο-αστρονομικό μήνυματων εκπομπών από τον Ήλιο ή μηνύματα από μικροσκοπικάφαινόμενα όπως η βιολογική πληροφορία που απασχολεί τα ιατρικάηλεκτρονικά.

Στις περισσότερες περιπτώσεις το μήνυμα παρουσιάζειθόρυβο (με την έννοια της παρασιτικής ακτινοβολίας) και είναι έργοτης Ηλεκτρονικής να το «καθαρίσει» και να το αναδείξει. Ένα«μήνυμα» πάλι είναι πού οδηγεί ένα σύστημα αυτόματου ελέγχου(ΣΑΕ) για μια αριστοποίηση και αυτοματοποίηση τής παραγωγής στασύγχρονα εργοστάσια όπως οι αυτοκινητοβιομηχανίες.

ΒΑΣΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ:

1. ΔΙΟΔΟΙ2. ΔΙΠΟΛΙΚΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΑΦΗΣ3. ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΠΕΔΙΟΥ( FET).4. ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ (LED, LASERS Κ.Α.).

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ:

Η/Υ, ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ, ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑΙΣΧΥΟΣ, ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ, ΜΕΤΑΦΟΡΕΣ, ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΚΑΘΗΜΕΡΙΝΗΣΧΡΗΣΗΣ K.A.

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ(ΔΙΑΚΡΙΤΑ ή ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ)

+ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ

( R, L, C)

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ•Παλαιότερα υπήρχαν οι ηλεκτρονικες δίοδοι, τρίοδοι κλπ λυχνίες κενού. Σήμεραβρίσκονται είτε στα μουσεία είτε σε ορισμένες συσκευές ισχύος.

•Αντικαταστάθηκαν από τις Διατάξεις Στερεάς Κατάστασης (Solid State Devices). Ηλειτουργία τους βασίζεται στις ιδιότητες των ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ.

•Κατασκευάζονται ΔΙΑΚΡΙΤΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ή και ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ(MICROCHIPS).

Ψηφιακός ΚόσμοςΟ Ψηφιακός κόσμος αποτελείται από:

Λογικές πύλες, Λογικά κυκλώματα και Συστήματα.Βασικό δομικό στοιχείο αυτών μέχρι σήμερα είναι μια ηλεκτρονική

διάταξη ημιαγωγών γνωστή ως «τρανζίστορ» .Κάθε τέτοιο τρανζίστορ, δρα ως ένας πολύ γρήγορος διακόπτης, που μπορεί να δίνει δύο δυνατές καταστάσεις:

Ανοικτός διακόπτης = 0, Κλειστός διακόπτης = 1Άρα μια συνδεσμολογία τέτοιων διακοπτών μπορεί να δώσειπολλούς τέτοιους συνδυασμούς των 0 και 1 καθώς και πράξειςμεταξύ τους Λογικά κυκλώματα.

Κανόνας του 1και του 0 : 0+Α=Α, 0.Α=0, 1+Α=1.Α=ΑΝόμος της αντιμετάθεσης: Α+Β=Β+Α , Α.Β=Β.ΑΝόμος του προσεταιρισμού: A+(B+C)=(A+B)+C , A. (B.C)=(A.B) .CΕπιμεριστικός νόμος: A+(B.C)=(A+B) . (A+C), A. (B+C)=A.B+A.CΝόμος της ανεξαρτησίας: A+A=A , A.A=A .

Νόμος του συμπληρώματος: A+_A =1A.

_A =1

Νόμος της απορρόφησης : Α+Α.Β=Α , Α. (Α+Β)=ΑΘεώρημα του De Morgan: BABA ⋅=+ )( , BABA +=⋅ )(

Ηλεκτρικές Ιδιότητες Των Υλικών.

Τα υλικά μπορούν να ταξινομηθούν με βάση την ηλεκτρική τουςαγωγιμότητα σε:

α) Αγωγούς, που είναι κυρίως τα Μέταλλα αλλά και τα κράματά τους. Στους αγωγούς, φορείς του ρεύματος είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνιαπου κινούνται στο κρυσταλλικό πλέγμα και για τον λόγο αυτό ταμέταλλα παρουσιάζουν ηλεκτρική αγωγιμότητα όταν εφαρμοστεί σεαυτά ένα ηλεκτρικό πεδίο. Στα ελεύθερα ηλεκτρόνια οφείλεται και ημεταλλική λάμψη των μετάλλων.

β) Μονωτές ή διηλεκτρικά, στους οποίους όλοι οι φορείς (ηλεκτρόνια) είναι πλήρως και σταθερά δεσμευμένα στα άτομα του κρυσταλλικούπλέγματος και μια συνηθισμένη προσφορά ενέργειας δεν μπορεί ναδημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια, άρα δεν παρουσιάζουν ηλεκτρικήαγωγιμότητα.

γ) Ημιαγωγούς, όπως το πυρίτιο, που άγουν το ρεύμα κάτω απόορισμένες συνθήκες (λ.χ. σχετικά αυξημένη θερμοκρασία, πρόσπτωσηφωτός κ.λ.π.) και για τον λόγο αυτό καλούνται ημιαγωγοί.

ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΩΝΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

Στοιχειώδης Φυσική των Ημιαγωγών.

•Ένας ημιαγωγός εμφανίζει πολύ μικρή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Στο κρυσταλλικόπλέγμα του ημιαγωγού, μπορεί να υπάρξει ένα ηλεκτρόνιο (e) που δεν είναι στηθέση του, γιατί λόγω θερμικής κινητικής ενέργειας ή από ένα φωτόνιο, ελευθερώθηκε από τον ομοιοπολικό δεσμό σθένους αφήνοντας τη θέση αυτήκενή. Την κενή αυτή θέση (έλλειψη ηλεκτρονίου) την ονομάζουμε οπή. Συμπεριφέρεται σαν θετικό φορτίο και δηλώνεται με το p (από το pοsitive).

→Το ελεύθερο ηλεκτρόνιο μπορεί να κινηθεί μέσα στον κρύσταλλο, συμβάλλοντας στηναγωγιμότητα τού κρυστάλλου.

→Η οπή μπορεί να συμπληρωθεί εύκολα από ένα γειτονικό ηλεκτρόνιο γιατί τα ηλεκτρόνιαταλαντεύονται γύρω από τη θέση ισορροπίας τους κι ένα από αυτά μπορεί να εγκατασταθείστη θέση τής οπής συμπληρώνοντας τον ατελή δεσμό. Τότε βέβαια μια άλλη οπή θαεμφανισθεί στη δική του προηγούμενη θέση και είναι σαν να μετακινήθηκε η αρχική οπή.

•Αν εφαρμοσθεί ηλεκτρικό πεδίο ΕΕ θα έχουμε μετακίνηση φορτίου για δύολόγους: α) Από την προσανατολισμένη κίνηση των ελευθέρων ηλεκτρονίων καιβ) από την προσανατολισμένη μετατόπιση των οπών. Οι δύο μετακινήσειςφορτίων γίνονται κατ’ αντίθετη φορά και επομένως τόσο οι οπές όσο και ταελεύθερα ηλεκτρόνια συμβάλλουν στην αγωγιμότητα του κρυστάλλου κατά τηνίδια φορά. Επειδή η αγωγιμότητά τους είναι από την φύση τους παρούσα, οιημιαγωγοί αυτοί ονομάζονται «ενδογενείς» (intrinsic semicοnductοrs).

Διαδικασία εμπλουτισμού ή νόθευσης (doping).

Εισαγωγή ενός πεντασθενούς ή ενός τρισθενούς στοιχείου στον κρύσταλλο τουκαθαρού ημιαγωγού. Δημιουργούνται οι λεγόμενοι εξωγενείς ημιαγωγοί.

Όταν εισαχθούν πεντασθενή στοιχεία στον κρύσταλλο του καθαρού ημιαγωγούόπως Φωσφόρος (P) ή Αρσενικό (As). Η διαδικασία εμπλουτισμού δημιουργεί τουςλεγόμενους ημιαγωγούς τύπου-n (από το αγγλικό negative). Τότε τα τέσσεραηλεκτρόνια σθένους του πεντασθενούς στοιχείου δημιουργούν ομοιοπολικούςδεσμούς με τα τέσσερα του ημιαγωγού (π.χ. Si) και το πέμπτο μένει ελεύθερο νακυκλοφορεί στο κρυσταλλικό πλέγμα του ημιαγωγού, «δίνοντας» έτσι ένανπαραπάνω φορέα ηλεκτρικού αρνητικού φορτίου. Τα άτομα των προσμίξεων(impurities) αυτών ονομάζονται «Δότες» (donors).

Αν εισαχθούν προσμίξεις από ένα τρισθενές στοιχείο όπως το Βόριο (B), τοΑλουμίνιο (Al) ή το Γάλλιο (Ga), τότε δημιουργούνται ημιαγωγοί τύπου-p (από τοαγγλικό positive). Στην περίπτωση αυτή, δημιουργούνται οπές αφού τώρα έναηλεκτρόνιο λείπει από τον τετραπλό δεσμό, αφήνοντας ένα κενό, δηλαδή έλλειψηαρνητικού φορτίου, σε θέση που περιμένει να «δεχτεί» ένα τέτοιο φορτίο. Τα άτοματων προσμίξεων (impurities) αυτών ονομάζονται «Αποδέκτες» (acceptors).

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

1. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των στερεών υλικώνοφείλονται σε κβαντομηχανικά φαινόμενα πουρυθμίζουν την συμπεριφορά των φορέωνηλεκτρικού φορτίου.

2. Υπάρχουν τρεις κατηγορίες υλικών, μονωτές, αγωγοί και ημιαγωγοί.

3. Οι ημιαγωγοί είναι τα κύρια συστατικά τωνηλεκτρονικών διατάξεων και η ηλεκτρικήαγωγιμότητα τους οφείλεται στην κίνηση δύοειδών φορέων: ηλεκτρονίων και οπών.

ΔΙΠΟΛΙΚΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΑΦΗΣ

Βασικά δομικά στοιχεία των κυκλωμάτων είναι τα τρανζίστορ,τα οποία είναι ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ.

ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ FET

Η σημαντική διαφορά μεταξύ των 2 τύπων τρανζίστορ είναι ότιστα FET παίζουν μεγάλο ρόλο οι διαστάσεις.

Κανάλι αγωγής, διάσταση της τάξης των nm

Για πολλούς, η τεχνολογία των FET είναιη βασική τεχνολογία της νανοτεχνολογίας.

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ• Η ανακάλυψη της ολοκλήρωσης (1958 - 61) δίνει

τεράστια ώθηση στην ηλεκτρονική τεχνολογία.• Μικραίνει εντυπωσιακά το μέγεθος των

ηλεκτρονικών συσκευών.• Αυξάνονται ραγδαία οι εφαρμογές με αντίκρισμα

στην καθημερινή μας ζωή.Τεχνολογική και οικονομική σημασία της

ολοκλήρωσης• Κατασκευή κυκλωμάτων που δεν είναι δυνατό

να γίνουν με διακριτά στοιχεία.• Υποβιβασμός όγκου.• Αύξηση ταχύτητας επεξεργασίας σημάτων

(πληροφορίας).• Εντυπωσιακή μείωση κόστους.

Πρώτο Ολοκληρωμένο Κύκλωμα1 Τρανζίστορ και 4 παθητικά στοιχεία πάνω σε ένα

υπόστρωμα ημιαγωγού

Οι τεχνολογίες κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων είναι και οιβασικές τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στην νανοτεχνολογία.

Οι πιο σημαντικές από αυτές αφορούντην Τεχνολογία Λεπτών Υμενίων (Thin Film Technology):

• Επιταξία υγρής φάσης -Liquid Phase Epitaxy (LPE)

• Επιταξία Αέριας Φάσης -Vapor Phase Epitaxy (VPE)

• Επιταξία Μοριακής δέσμης -Molecular Beam Epitaxy (MBE)

• Οργανομεταλλική ΕπιταξίαΑέριας Φάσης - Metal-OrganicVapor Phase Epitaxy (MOVPE).

• Εναπόθεση από Χημικήδιάσπαση ατμών – Chemical Vapour Deposition (CVD).

• Παραλλαγές των παραπάνω(π.χ. LACVD κλπ).

Μοριακές δέσμες

Διαφράγματα

Πηγές

GaAs

AsGaSi

ΜΒΕ

Υπερ-υψηλό κενό

Τεχνικές κατασκευής

• Οι παραπάνω τεχνικές μαζί με την Φωτολιθογραφία χρησιμοποιούνται στηνκατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και στην νανοτεχνολογία.

• Η τέχνη της Λιθογραφίας είναι γνωστή από την τυπογραφία και αναφέρεταιστην αποτύπωση ενός προτύπου (π.χ. εικόνα) στο χαρτί.

• Στην περίπτωση της ανάπτυξης ΙC η αντίστοιχη τεχνική ονομάζεταιΦωτολιθογραφία και αναφέρεται στη δημιουργία των διαφόρων στρωμάτωνπου συνθέτουν ένα IC

ReticleReticle

ΜάσκαΦωτολιθογραφία με μάσκες

nd-to-Silicon--the-Making-of-a-C

ΔΙΠΟΛΙΚΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΑΦΗΣ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ FET

ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΟΨΗ ΤΩΝ ΔΥΟ ΒΑΣΙΚΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ

180 nm

Ο ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ MOORE :Ο αριθμός των τρανζίστορ στους μικροεπεξεργαστές θα

διπλασιάζεται κάθε 18 με 24 μήνες.

2300 τρανζίστορ, 1 MHz (Intel 4004) - 197116 Εκατομμύρια τρανζίστορ (Ultra Sparc III, 1989)42 Εκατομμύρια, 2 GHz (Intel P4) - 2001140 Εκατομμύρια τρανζίστορ (HP PA-8500)

# Τρανζίστορ/τσιπ

ΜνήμεςΕπεξεργαστές

Σημερινή Υψηλή τεχνολογία μικρο και νανο ηλεκτρονικής CMOS

Πόσο μικρά είναι τα σημερινά τσιπ;

ΕΝΑ ΜΥΡΜΗΓΚΙΜΕΤΑΦΕΡΕΙ ΕΝΑ CHIP ΣΤΗΝ ΦΩΛΙΑ ΤΟΥ ΓΙΑ…..

ΤΡΟΦΗ.

(ΑΥΘΕΝΤΙΚΗ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΑ)

(0.5 mm)

ΤΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΜΕΤΡΑΕΙΟΣΟ ΠΙΟ… ΜΙΚΡΟ ΤΟΣΟ ΠΙΟ... ΚΑΛΟ !!!!

Είδη Ολοκληρωμένων

• Γραμμικά ή αναλογικά είναι οιενισχυτές και τα τηλεπικοινωνιακάκυκλώματα

• Ψηφιακά είναι όσα σχετίζονται μετην ψηφιακή λογική και μνήμεςυπολογιστικών συστημάτων

• Μονολιθικά είναι όσακατασκευάζονται πάνω σεμία ψηφίδα (chip)

• Τα Υβριδικά αποτελούνταιαπό μονολιθικά καικυκλώματα διασύνδεσηςκολλημένα σε μία βάση.

Οι λογικές πύλες κατασκευάζονται με συνδυασμούς βασικών διατάξεων, όπως οι δίοδοι, τα τρανζίστορ, ταMOSFET. Έτσι δημιουργούνται οι λεγόμενες κατηγορίες λογικών πυλών (κυκλωμάτων) που είναι οι :

Λογικά κυκλώματα κρυσταλλοδιόδων-κρυσταλλοτριόδων (Diode-Transistor-Logic, DTL).

Λογικά κυκλώματα κρυσταλλοτριόδων-κρυσταλλοτριόδων (Transistor-Transistor-Logic, TTL).

Λογικά κυκλώματα αντιστάσεων-κρυσταλλοτριόδων (Resistor-Transistor-Logic, RTL).

Λογικά κυκλώματα με συνδεδεμένο εκπομπό (Emitter Coupled Logic ECL). Λογικά κυκλώματα MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Logic, MOS).Λογικά κυκλώματα συμπληρωματικών MOSFET (Complimentary MOS,

CMOS).Λογικά κυκλώματα εγχύσεως ρεύματος (Intergrated Injection Logic, I2L).Λογικά κυκλώματα υψηλού κατωφλίου (High Threshold Logic, HTL).

Οι εμπορικές σειρές της οικογένειας TTL σε μορφή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ονομάζονται με χαρακτηριστικάπου περιέχουν τον αριθμό 74, όπου: 74 είναι η κλασσική TTL, 74S είναι σειρά TTL SCHOTTKY, 74LS είναι η

σειρά TTL Low Schottky (χαμηλής, ισχύος).Αντίστοιχα η CMOS με αριθμό 74 έχει άλλα γράμματα (π.χ. Η).

ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΕΣ ΛΟΓΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΛΟΓΙΚΩΝΛΟΓΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ

Οι περισσότερες από τις οικογένειες λογικών κυκλωμάτων που αναφέρθηκαν υπάρχουν σήμερα στοεμπόριο σαν ολοκληρωμένα κυκλώματα. Γι’ αυτό το λόγο μπαίνει πάντα το θέμα της εκλογής της πιοκατάλληλης οικογένειας για την πραγματοποίηση μιας συγκεκριμένης εφαρμογής. Σημειώνεται πως σε μιαεφαρμογή δεν μπορεί κανένας να αναμείξει τις οικογένειες γιατί δεν υπάρχει μεταξύ τους συμβατότητα στηντάση τροφοδοσίας, στην ταχύτητα λειτουργίας και κυρίως στις αντιστάσεις εισόδου και εξόδου. Η εκλογή τηςκατάλληλης οικογένειας για κάθε εφαρμογή γίνεται με βάση ορισμένα χαρακτηριστικά. Τα χαρακτηριστικάαυτά είναι:

Ταχύτητα λειτουργίας ή καθυστέρηση διάδοσηςΑναισθησία στο θόρυβοΙκανότητα μιας πύλης να οδηγήσει άλλες (FAN IN και FAN OUT).Τάση τροφοδοσίαςΙσχύς που καταναλώνει μια πύληΠεριοχή θερμοκρασίας για ασφαλή λειτουργίαΠοικιλία από συναρτήσεις που διαθέτει η οικογένειαΚόστος.

ΕΠΙΠΕΔΑ ΜΕΛΕΤΗΣΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΕΠΙΠΕΔΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

ΕΠΙΠΕΔΟ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ

ΕΠΙΠΕΔΟ ΛΟΓΙΚΗΣ

ΕΠΙΠΕΔΟ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ

ΕΠΙΠΕΔΟ ΔΙΑΤΑΞΗΣ

ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟBottom-up

Top-down

Με τις παραπάνω τεχνικές και την αντίστοιχηβασική έρευνα, φτάσαμε περί τα τέλη του 20ου

αιώνα στα όρια της τεχνολογίας σμίκρυνσηςCMOS με τα μέχρι τότε δεδομένα.

Γεννιέται η Νανο-ηλεκτρονική.Περίπου από το 1998, το πρόθεμα Nano σταδιακά αντικαθιστά τοMicro στην βιβλιογραφία, αρχικά στον χώρο της ηλεκτρονικήςκαι σιγά σιγά και στους χώρους της βιολογίας και της χημείας.

ΙΣΧΥΡΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΚΒΑΝΤΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ

Προτάσεις για την εξέλιξη της ηλεκτρονικήςτεχνολογίας τον 21ο αιώνα – Νανοηλεκτρονική.

1. Βελτίωση των χαρακτηριστικών των ήδη γνωστών διατάξεων μεχρήση νέων υλικών ή νέων τεχνολογιών κατασκευής ή νέωνδομών των διατάξεων (π.χ. 3G FET, Metal gate FET κλπ) ήσυνδυασμός των παραπάνω.

2. Μελέτη και ανάπτυξη νέων νανοδιατάξεων με ιδιότητεςπαραπλήσιες ή/και ανώτερες των σημερινών δομών CMOS, όπως τα τρανζίστορ μονού ηλεκτρονίου (SET).

3. Μελέτη νέων πιο.. εξωτικών αλλά πολύ ισχυρών υπολογιστικώνσυστημάτων, όπως οι κβαντικοί υπολογιστές ή και τασυστήματα που βασίζονται σε βιολογικές δομές (DNA computing).

4. Συνδυασμοί των παραπάνω – υβριδικά συστήματα.

Δύο τρόποι σχεδίασης και κατασκευής νέων Νανοδομών

2. Από κάτω προς τα πάνω1. Από πάνω προς τα κάτω

μικροηλεκτρονική

ΧημείαΒιολογία

Από πάνω προς τα κάτω

Από κάτωπρος τα π

άνω

Μοριακά ηλεκτρονικάΒιοηλεκτρονικήΝανοτεχνολογία

Το μέλλον: Συνδυασμοί όλων των παραπάνωκαι νέες εξωτικές (;) προσδοκίες (;)

• Συνδυασμός βιολογίας, φυσικής, θεωρίαςπληροφορίας και νανοηλεκτρονικής:

• Οι Υπολογιστές του μέλλοντος, με κύριουςεκφραστές τους Νανο-υπολογιστές.

Έχουμε μέχρι σήμερα προτάσεις για 4 τύπουςΝανο-υπολογιστών (nanocomputers):

• Ηλεκτρονικοί (Electronic)• Χημικοί και Βιοχημικοί (Chemical and Biochemical)• Μηχανικοί (Mechanical)• Κβαντικοί (Quantum).

ΗλεκτρονικοίΥπολογιστές

Χρησιμοποιούν νέας γενιάςτρανζίστορ και ακολουθούν τιςεξελίξεις της νανοηλεκτρονικής

Μέχρι σήμερα, η μελέτη νέων υλικών ώστε το πυρίτιοκαι τα άλλα υλικά κατασκευής των τρανζίστορ νααντικατασταθούν από υλικά υψηλών επιδόσεων

οδήγησε σε δύο σημαντικές ανακαλύψεις.

• Δύο κύρια επιτεύγματα: 1) Η μελέτη της αντικατάστασης του SiO2 στην πύλη του

MOSFET από υλικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (high-k dielectrics). Αποτέλεσμα η ανακοίνωση της Intel ότι οι νέοιPentium έχουν πλέον HfO2 αντί SiO2. Νέα γενιάηλεκτρονικών διατάξεων, η έρευνα συνεχίζεται γιακαλύτερα υλικά από το HfO2 .

2) Η μελέτη της δημιουργίας νέων νανο-καλωδίων για τιςσυνδέσεις των διατάξεων στο κύκλωμα. Αποτέλεσμα νέαγενιά καλωδίων από νανοσωλήνες άνθρακα.

Τρανζίστορ μονού ηλεκτρονίου (SET).

Νέες Ηλεκτρονικές Διατάξεις, με περισσότερεςδυνατότητες από τα συμβατικά τρανζίστορ

Κατασκευή από τους Fulton και Dolan στα Bell Labs.

Αλλά….. δουλεύει μόνο σε πάρα πολύ χαμηλές θερμοκρασίεςΔεν έχουμε κατασκευή κυκλωμάτων (μόνο σχεδίαση και προσομοίωση)

Ύπάρχουν τέτοια Τρανζίστορ;Ναι και μερικά είναι αυτά….

Όμως αν τα ενώσουμε για ναφτιάξουμε κύκλωμα, έχουμε πολλάπροβλήματα…

Μαγνητική μνήμη RAM (Magnetic RAM), που ενσωματώνει τεχνολογίες ηλεκτρονικής-μικρομαγνητισμού.

Το μέλλον στα Ηλεκτρονικά: Υβριδικά συστήματαNANO-CMOS

Χημικοί και ΒιοχημικοίΥπολογιστές

(Chemical and Biochemical)

Χρησιμοποιούν χημικές και βιοχημικέςουσίες για την πραγματοποίηση

λογικών πράξεων. Υπολογιστές βασισμένοι στο DNA.

ΔΗΛΑΔΗ…….ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣΒΑΣΙΣΜΕΝΟΙ ΣΤΟ DNA

Η βασική ιδέα που οδήγησε στη μελέτη τωνπρώτων DNA-υπολογιστών είναι ότι, οι δυνατότητεςεπεξεργασίας της πληροφορίας που υπάρχουν σταοργανικά µόρια (DNA, RNA, ένζυµα) µπορούν ναχρησιµοποιηθούν για την επιτέλεση συγκεκριµένωνέργων µε συγκεκριµένο σκοπό. Εφόσον μιλάμε για επεξεργασία πληροφορίας σεµοριακό επίπεδο έχουµε να κάνουµε µε µιαµικροσκοπική κλίµακα ολοκλήρωσης, πουξεπερνάει κατά πολύ τις κλίµακες των ψηφιακώνηλεκτρονικών υπολογιστών.

•Ένας υπολογιστής DNA, µπορεί να οριστεί πιο εύκολα από το τι κάνει, παρά από το τι είναι.

•Αυτό που θα γίνεται είναι να έχουµε ως είσοδο του υπολογιστή DNA, ένα σύνολο απόδοκιµαστικούς σωλήνες (tubes) που περιέχουν µόρια DNA που κωδικοποιούν τοστιγµιότυπο του εκάστοτε προβλήµατος. •Ο «υπολογισµός» του DNA-υπολογιστή συνίσταται σε µια ακολουθία από λειτουργίες πουµπορούν να γίνουν (είτε από ανθρώπους, είτε από ειδικά robot) χρησιµοποιώντας αυτούςτους σωλήνες. •Κάθε λειτουργία αυτής της ακολουθίας, ενδεχοµένως να παράγει ένα ή περισσότερουςνέους σωλήνες, οι οποίοι µπορούν να χρησιµοποιηθούν µαζί µε τους προηγούµενους, γιατην εκτέλεση των επόµενων λειτουργιών. •Η έξοδος του υπολογιστή DNA θα συνίσταται πάλι από ένα σύνολο από δοκιµαστικούςσωλήνες, οι οποίοι, αυτή τη φορά, θα περιέχουν µόρια DNA που κωδικοποιούν λύσεις, στοπρόβληµα που κωδικοποιούσαν τα µόρια DNA των δοκιµαστικών σωλήνων πουσυνιστούσαν την είσοδο.•Από τα παραπάνω προκύπτει ότι, για την ώρα, η έννοια του υπολογιστή DNA είναισυνυφασµένη µε την έννοια του προβλήµατος, και του DNA-προγράµµατος που το επιλύει(η ακολουθία των λειτουργιών). •Αν και η ύπαρξη Universal DNA υπολογιστών, (δηλαδή υπολογιστών που θα δέχονται ωςείσοδο, εκτός των άλλων, και ένα σύνολο δοκιµαστικών σωλήνων που να κωδικοποιούν τοπρόγραµµα) αποδεικνύεται θεωρητικά, εντούτοις περιορισµοί της βιοτεχνολογίαςαποτρέπουν την πρακτική υλοποίηση των Universal DNA υπολογιστών. Εφόσον µιλάµε γιαDNA προγράµµατα, θα είναι χρήσιµο αυτά τα προγράµµατα να προέρχονται από κάποιαγλώσσα προγραµµατισµού, που θα προκύψει από µια τυποποίηση των λειτουργιών.

Ένας υπολογιστής DNA θα μπορούσε, πολύ απλά, να είναι ένα σύνολο δοκιµαστικώνσωλήνων, κάποιοι από τους οποίους περιέχουν µόρια που κωδικοποιούν το στιγµιότυποτου προβλήµατος, κάποιοι άλλοι ενδεχοµένως να περιέχουν την κωδικοποίηση τουπρογράµµατος που πρέπει να εκτελεστεί, ενώ άλλοι σωλήνες θα φυλάσσουν ενδιάµεσααποτελέσµατα στη διαδικασία του υπολογισµού.

Ο υπολογισµός είναι στην ουσία µια σειρά από λειτουργίες που πρέπει να γίνουν(ανάµειξη, φιλτράρισµα) επί των σωλήνων, ενώ ένα πρόγραµµα, όπως αναφέρθηκεπροηγουµένως, θα κωδικοποιεί τον τρόπο που θα αντιδρούν τα διάφορα µόρια στουςσωλήνες, έτσι ώστε το αποτέλεσµα που θα προκύψει να είναι µία κωδικοποίηση της λύσηςστο πρόβληµα που θέλουµε να επιλυθεί.

Άρα…

Διεργασίες με το DNA

Κατάσταση έρευνας στουςυπολογιστές DNA

• Ήδη έχουμε την θεωρητική μελέτη τωνδυνατοτήτων ενός υπολογιστή πουχρησιμοποιεί δομές DNA.

• Από προσομοιώσεις γνωρίζουμε τιςδυνατότητες του και την συμπεριφορά του.

• Έχουμε μαθηματικά μοντέλα, έχουμεαποτελέσματα αρχικού σχεδιασμού.

• Κάποια στιγμή θα έρθει και η υλοποίηση.

Μηχανικοί Υπολογιστές(Mechanical Computers)

Χρησιμοποιούν μηχανικέςιδιότητες των νανο-δομών.

Μικρομηχανές.

Ο Μηχανισμός των Αντικυθήρων είναι ο αρχαιότερος αναλογικόςμηχανικός υπολογιστής που γνωρίζουμε.

Οι αυριανοί μηχανικοίΝανο-υπολογιστές θαβασίζονται σε μηχανικέςιδιότητες των μορίων καιδομών από μακρομόρια

Πρωτο-προτάθηκαν από τον K Eric Drexler το 1991 με τηνδιδακτορική του διατριβή στο MIT

Επίσης προτείνονται και τα Νανο-Δοκάρια(nanorods) , ως στοιχεία επεξεργασίας και

μνήμης

Ενώ ως συστήματα εισόδου εξόδου είναιηλεκτρικά ενεργοποιούμενοι αισθητήρες

*κάτι σαν … Νανο-ρελαί

Ικανότητα τοποθέτησης ατόμων σε συγκεκριμένες θέσεις με STM.

Οι νανοδομές δεν είναι ορατές με οπτικά μικροσκόπια, χρησιμοποιούνταιειδικά μικροσκόπια:

• Μικροσκόπιο Εκπομπής Ηλεκτρονίων• Μικροσκόπιο Σάρωσης Φαινομένου Σήραγγας• Μικροσκόπιο Ατομικής Ισχύος (STM)

Όμως, τα μικροσκόπια αυτά τα χρησιμοποιούμε και για την … μετακίνησηατόμων και την δημιουργία νανοδομών, ακόμα και … καλλιτεχνικέςδομές

MEMS, NEMSMEMS, NEMSΗλεκτροστατικοίΗλεκτροστατικοί μικρομικρο--μηχανισμοίμηχανισμοί κίνησηςκίνησης

((ππ..χχ. . ΜικροκινητήρεςΜικροκινητήρες))• Οι ηλεκτροστατικοί μικρομηχανισμοί κίνησης κατασκευάζονται από μέταλλα ή

ημιαγωγούς με τις τεχνολογίες της μικροηλεκτρονικής (επίταξη κλπ) • Έχουν σχήματα όπως καμπύλα περιστροφικά ρουλεμάν αλλά και επίπεδα

ρουλεμάν επιφάνειας.

Κβαντικοί υπολογιστές(Quantum Computers)

Οι πιο σημαντικοί και οι πιο… επιθυμητοί. Χρησιμοποιούν τις ιδιότητες της κβαντικής

μηχανικής για την εκτέλεση λογικών πράξεων

Κβαντικοί Υπολογιστές• Κβαντικός υπολογιστής ονομάζεταιοποιαδήποτε υπολογιστική συσκευή κάνειχρήση χαρακτηριστικών κβαντμηχανικώνιδιοτήτων, όπως η αρχήτης υπέρθεσης και της διεμπλοκήςκαταστάσεων για να πραγματοποιείεπεξεργασία δεδομένων.

• Σε έναν κλασικό υπολογιστή, στοιχειώδηςμονάδα πληροφορίας πληροφορίας είναιτο bit (0 , 1) ενώ σε έναν κβαντικόυπολογιστή το qubit ( |0> + |1> ).

• Η βασική αρχή της κβαντικής υπολογιστικήςεπιστήμης είναι το γεγονός ότι οι κβαντομηχανικέςιδιότητες της ύλης μπορούν να χρησιμοποιηθούν γιατην αναπαράσταση και τη δόμηση δεδομένων, καθώςκαι το γεγονός ότι μπορούν να επινοηθούν και νακατασκευαστούν μηχανισμοί βασισμένοιστην κβαντομηχανική για την επεξεργασία αυτών τωνδεδομένων.

• Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν μεταξύ άλλων:Να ερευνήσουν με πρωτοφανή ταχύτητα τεράστιες καιαδόμητες βάσεις δεδομένων, Να σπάσουν κάθε γνωστό κρυπτογραφικό κώδικα, Να προσομοιώσουν πολύπλοκες διεργασίες και φαινόμενα, και να επιλύσουν προβλήματα τα οποία είναι πρακτικάαδύνατον να λυθούν από τους σημερινούς υπολογιστές, που ονομάζονται πλέον "κλασικοί υπολογιστές".

Κβαντικοί Υπολογιστές

Κβαντικοί Υπολογιστές

• Τα κβαντικά υπολογιστικά συστήματα εκμεταλλεύονται κατά κύριολόγο την ιδιότητα της υπέρθεσης καταστάσεων. Αυτό σημαίνει ότικάτω από συγκεκριμένες συνθήκες ένα ηλεκτρόνιο, για παράδειγμα, μπορεί να βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα.

• Ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί θεωρητικά να κάνει πολλέςπράξεις ταυτόχρονα, εξαιτίας της υπέρθεσης καταστάσεων. Έτσι, ότανοι κβαντικοί υπολογιστές γίνουν πραγματικότητα, θα μπορούν ναλύνουν προβλήματα η πολυπλοκότητα των οποίων αυξάνει εκθετικάκαι όχι γραμμικά.

Κβαντικοί Υπολογιστές• Ο πρώτος που αντιλήφθηκε πως τα qubit μπορούν να χρησιμοποιηθούν

για την κατασκευή ισχυρότατων υπολογιστών ήταν ο Richard Feynman, το 1982, όταν και κατάλαβε ότι χάρη στα qubit μπορούσαν να υπολογιστούνταυτόχρονα όλοι οι δυνατοί συνδυασμοί από 0 και 1. Είναι σαν να έχουνενσωματωθεί δισεκατομμύρια συμβατικοί υπολογιστές σε έναν και μόνοκβαντικό υπολογιστή.

• Παρέμενε, όμως, ένα πρόβλημα: Οι θεμελιώδεις λογικές πράξειςλειτουργούν στα κλασικά bit και όχι στα κβαντικά. Έπρεπε λοιπόν ναδημιουργηθούν καινούριες.

• Το 1985 ο Άγγλος φυσικός David Deutsch υπέδειξε τον τρόπο με τον οποίοθα έπρεπε να λειτουργεί ένας κβαντικός υπολογιστής, λαμβάνοντας υπόψημια καινούρια ομάδα λογικών πράξεων, και απέδειξε επίσης πως έναςκβαντικός υπολογιστής μπορούσε να εκτελέσει όλους τους υπολογισμούςπου κάνει ένας κλασικός υπολογιστής και μάλιστα πολύ ταχύτερα. Ενώ έναςκλασικός υπολογιστής πραγματοποιεί δύο πράξεις για να δει τις δύο όψειςενός νομίσματος (και να αποφασίσει αν είναι όμοιες ή όχι), ένας κβαντικόςυπολογιστής θα μπορεί να το κάνει αυτό μόνο με μία.

H καινούρια ομάδα λογικών πράξεων

Μια προτεινόμενη ΑρχιτεκτονικήΚβαντικού Υπολογιστικού Συστήματος

Μια προτεινόμενη υλοποίηση: Υπολογιστής του Kane

Άλλες προτεινόμενες υλοποιήσεις

Με χρήση μαγνητικών qubit

Κβαντικοί Υπολογιστές• To 2001 κατασκευάστηκε ο πρώτος κβαντικός υπολογιστήςαπό τον Isaac Chuang, στο κέντρο ερευνών της IBM στοAlmaden Research Center στην Καλιφόρνια. Αποτελούνταναπό ένα τεχνητό μόριο στο οποίο είχαν «αποθηκευτεί» 7 qubit. Η πληροφορία μπορούσε να ανακτηθεί και να διαβαστεί χάρηστην τεχνική NMR (Nuclear Magnetic Resonance).

• Με τον τρόπο αυτό, ο Chuang κατάφερε να πραγματοποιήσειέναν απλό υπολογισμό: ανέλυσε τον αριθμό 15 στο γινόμενοτων δύο πρώτων παραγόντων, 3 και 5. Το σύστημα πουκατασκεύασε η ερευνητική ομάδα της ΙΒΜ μπόρεσε να λύσει τομαθηματικό πρόβλημα σε ένα μόνο βήμα, ενώ ένας συμβατικόςυπολογιστής θα έπρεπε, για να το λύσει, να πραγματοποιήσειμια σειρά από ξεχωριστά βήματα. Πρόκειται για μια απλήπράξη, αλλά θεωρητικά μπορεί να επεκταθεί και σεπολυψήφιους αριθμούς. Αρκεί βέβαια να δημιουργήσουμε καινα χρησιμοποιήσουμε περισσότερα qubit.

Προτεινόμενες Υλοποιήσεις ενός Κβαντικού Υπολογιστή.

D-Wave System Inc. Οrion, 16 bit quantum computer on February 13th, 2007

Computer History Museum,Mountain View, California•Αναγνώριση προτύπων (Pattern matching).•Εύρεση ανάμεσα σε ομοειδή αντικείμενα σε βάση δεδομένων•Τοποθέτησε τους παριστάμενους σε κατάλληλες θέσεις•Sudoku

Η σημαντικότερη μέχρι σήμερα, αν και με μεγάλη απόκλιση από ταπροσδοκούμενα και με πολλά αναπάντητα ερωτήματα.

Κβαντικοί Υπολογιστές• Την άνοιξη του 2010, μια νέα εφεύρεση της ιαπωνικής εταιρίας Toshiba φέρνει ένα πιο βήμα

κοντά στην υλοποίηση των κβαντικών υπολογιστών. Πρόκειται για την ανακάλυψη μιας νέαςμικροσκοπικής ηλεκτρονικής συσκευής, της Διόδου Εκπομπής Διαμπλεκόμενου Φωτός(ELED), που μπορεί να παράγει το λεγόμενο (κβαντικά) «διαμπλεκόμενο» (entangled) φως.

• Ερευνητές του ερευνητικού κέντρου της Toshiba Corp. στη Βρετανία, σε συνεργασία μεσυναδέλφους τους του ιστορικού Εργαστηρίου Cavendish του πανεπιστημίου του Cambridge, παρουσίασαν τη σχετική επιστημονική εργασία στο περιοδικό “Nature”, και ανακοίνωσαν ότι ταELED (Διόδου Εκπομπής Διαμπλεκόμενου Φωτός (ELED)) ανοίγουν το δρόμο για μελλοντικάπανίσχυρα τσιπ ημιαγωγών.

• Προς το παρόν, οι ερευνητές δεν έχουν κάνει κβαντικούς υπολογισμούς, όμως θεωρούν ότιμέσα σε μια πενταετία θα έχουν αναπτύξει βασικά κβαντικά υπολογιστικά κυκλώματα, που θαχρησιμοποιούν την τεχνολογία των ELED.

• Μέχρι σήμερα, η δημιουργία «εναγκαλισμένου» φωτός είχε καταστεί δυνατή με την χρήσηκρυστάλλων, που διασπούν το φως ογκωδών λέιζερ σε ζεύγη φωτονίων. Όμως η μέθοδοςαυτή δεν έχει ακόμα αξιοπιστία, επειδή μερικές φορές παράγονται δύο ζεύγη φωτονίων, άλλεςφορές ένα και καμιά φορά κανένα, με συνέπεια να μην μπορεί να βασιστεί κανείς σε αυτή τηντεχνολογία για τη δημιουργία ενός αλάνθαστου κβαντικού υπολογιστή.

• Από την άλλη, η νέα ELED της Toshiba χρησιμοποιεί τη συμβατική τεχνολογία των ημιαγωγώνκαι κατασκευάζεται από GaAs, ένα κοινό υλικό στην οπτο-ηλεκτρονική. Οι ELED μοιάζουν μετις συμβατικές διόδους εκπομπής φωτός (LED) που ήδη χρησιμοποιούνται ευρέως στακαταναλωτικά ηλεκτρονικά προϊόντα και στο σύγχρονο φωτισμό, όμως περιέχουν και μιαπρόσθετη μικροσκοπική κβαντική περιοχή (με μέγεθος μόλις δέκα νανομέτρων), όπου έναεναλλασσόμενο ηλεκτρικό σήμα με συχνότητα 80 MΗz μετατρέπεται σε «διαμπλεκόμενο» φως.

Κβαντική Κρυπτογραφία

ΤΗΛΕΜΕΤΑΦΟΡΑ

ΤΗΛΕΜΕΤΑΦΟΡΑ ;;;; !!!!!!!!ΘΥΜΗΘΕΙΤΕ ΤΟ STAR TREK

BEAM ME UP MR SPOCK

Captain Kirk and Mr. Spock

Ίσως δεν είναι και τόσο μακρινή πραγματικότητα

•Επειδή η υπολογιστική πολυπλοκότητα των κβαντικών συστημάτων αυξάνεταιεκθετικά συναρτήσει του αριθμού των σωματιδίων τους – έναντι μόνο μιαςγραμμικής αύξησης για τα κλασικά συστήματα (dN έναντι 3N)– η επίλυσή τουςαπό πρώτες αρχές (πλην ελαχίστων εξαιρέσεων) είναι ένα ανέφικτο πρόβλημα. •Απλούστατα δεν γίνεται σε έναν κλασικό υπολογιστή. •Αλλά γιατί να γίνεται σε έναν κβαντικό υπολογιστή, οτιδήποτε κι αν σημαίνειαυτό; Για έναν λόγο πολύ απλό όσο και θεμελιώδη. Αφού ο κβαντικός κόσμοςυπάρχει, σημαίνει ότι μάλλον τα. . . καταφέρνει να λύνει τις εξισώσεις του! •Πώς τις λύνει; Απλώς υπάρχοντας! Κατά κάποιον τρόπο η ίδια ηύπαρξη ενός κβαντικού συστήματος –όπως, βέβαια, και ενός κλασικού– είναιμια έμπρακτη επίλυση των σχετικών εξισώσεων. Απλώς έχουμε κάποιαδυσκολία να «διαβάσουμε» τη λύση επειδή το «πράγμα» δεν φτιάχτηκε γι’αυτόν ακριβώς το σκοπό. (Αν και. . . ποιος ξέρει!) •Αν όμως εμείς κατασκευάσουμε ένα τεχνητό κβαντικό σύστημα, που ναμπορούμε να το «προγραμματίζουμε» απ’ έξω αλλά και να το «διαβάζουμε», τότε αυτό θα λύνει το πρόβλημά μας απλώς. . . υπάρχοντας. Δηλαδή, απλώςδουλεύοντας με βάση τους κβαντικούς νόμους. •Τόσο απλό! Τόσο απλό που ίσως και να. . . μην γίνει ποτέ! Η περιπέτεια τώρααρχίζει!

Λιγάκι … φιλοσοφία…

Οπτικοί Υπολογιστές

• Όχι κατ ανάγκην σε Νάνο επίπεδο,• … αλλά βολεύουν οι τεχνικες Νανο Υλικώνγια την δημιουργία τους.

• Χρησιμοποιούν τεχνικές τρισδιάστατηςαπεικόνησης δεδομένων (ολογραφία) καθώςκαι νέα υλικά για την διαμόρφωση τηςπληροφορίας.

Οπτικός υπολογιστής• Στα τέλη της δεκαετίας του 90 αμερικάνοι επιστήμονες μελέτησαν τη

δυνατότητα κατασκευής ενός οπτικού διακόπτη. Αυτό ήταν το πρώτοβήμα για τη δημιουργία του οπτικού υπολογιστή, ο οποίος μπορεί ναεπιτευχθεί με τη οπτική πολύπλεξη πολλών σημάτων μέσα στο ίδιοαγωγό και στη συνέχεια να αλλάζουν από κανάλι σε κανάλιπαράλληλα.

• Τα κύρια οπτικά τμήματα εμπίπτουν σε τρεις κατηγορίες: σε αυτά πουπαράγουν φως, σε αυτά που ανιχνεύουν φως και σε αυτά πουκατευθύνουν το φως. Από τη στιγμή της ανακάλυψης των μηγραμμικών κρυστάλλων, οι οποίοι έχουν την ικανότητα ναμεταβάλλουν τον δείκτη διάθλασής τους ανάλογα με τηνεφαρμοζόμενη σε αυτούς τάση, οι επιστήμονες άρχισαν ναονειρεύονται την κατασκευή του οπτικού υπολογιστή.

• Η διασύνδεση των εσωτερικών τμημάτων του υπολογιστή θα είναι εξ’ολοκλήρου οπτική αντί για ηλεκτρική.

• Ολογραφικοί κρύσταλλοι 3 διαστάσεων θα επιτρέπουν την ταχύτατηκαι μεγάλου όγκου αποθήκευση δεδομένων.

• Για την ώρα, ο οπτικός υπολογιστής παραμένει ένα όνειρο, καθώς ταλειτουργικά μέρη όπως οι πύλες και οι διακόπτες καταλαμβάνουνπολύ περισσότερο χώρο από τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά και η ανάγκηγια την ανακατεύθυνση των οπτικών σημάτων χρειάζονταιμικροσκοπικές κατασκευές στρέψης των καθρεπτών, οι οποίοι έχουνμια μάζα, θέτει όρια στη ταχύτητα εναλλαγής.

Μια προτεινόμενηδιάταξη ΠροσωπικούΥπολογιστή στο

μέλλον.

Όλα τα παραπάνω έχουν να κάνουν μετην ανάπτυξη της τεχνολογίαςΥλικού των Υπολογιστών.

Τι γίνεται με την ανάπτυξη Λογισμικού;

Λογισμικό & Εφαρμογές

• Η σημαντικότερη εξέλιξη έχει να κάνει με την διαρκήανάπτυξη της Τεχνητής Νοημοσύνης, με εφαρμογέςσε αναγνώριση προτύπων και μηχανική μάθηση.

• Σημαντικότατη η συμβολή της διασύνδεσηςυπολογιστικών συστημάτων με ανάπτυξη τηςτεχνολογίας δικτύων και προηγμένων τεχνικώνδιασύνδεσης (pervasive computing).

• Ανάπτυξη υψηλών δυνατοτήτων λογισμικούπροσομοίωσης με αφορμή την αναπαράστασηπραγματικών συμβάντων (παιχνίδια σε Η/Υ)

• Συνεχής βελτίωση τεχνικών ασφάλειαςΥπολογιστικών Συστημάτων…..

Συνδυασμοί ………Η τεράστια υπολογιστική ισχύ των υπολογιστών του

μέλλοντος, σε συνδυασμό με• Τεχνητή Νοημοσύνη και προηγμένο λογισμικό• Περιβάλλοντα λειτουργίας βασισμένα σε νέας γενιάςκώδικες και εξελιγμένες ιδέες (θυμηθείτε ότι η Java δενυπήρχε πριν λίγα χρόνια….)

• Προηγμένα συστήματα αλληλεπίδρασης Ανθρώπου –Μηχανής (Συσκευές Ι/Ο νέων δυνατοτήτων όπως οιοπτικές)

• Γνώσεις από την Ρομποτική, τους αισθητήρες καθώςκαι επιστήμες όπως η Βιολογία………..

Νανομηχανές, Νανορομπότ +συνδυασμός με τεχνητήνοημοσύνη …….. (επιστημονική φαντασία;;;)

Πόσο ακριβή είναι τα όσα λέμε γιατο μέλλον των υπολογιστών;

Ο κίνδυνος της πρόβλεψης…….“The telephone is so important, every city will need one”

Anonymous

“I think that there is a world market for maybe five computers”

Thomas J. Watson, IBM, 1949

“Computers in the future may … only weight 1.5 tons”Popular Mechanics, 1949

“There is no reason for any individual to have a computer in their home”

K. Olsen, President of DEC, 1977

“The US will have 220,000 computers by the year 2000”RCA Corporation, 1966

ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΦΑΝΤΑΣΙΑΔΙΑΣΗΜΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΣΕΤΑΙΝΙΕΣ ΚΑΙ ΜΥΘΙΣΤΟΡΗΜΑΤΑ

HAL 90002001 ΟΔΥΣΣΕΙΑ

ΤΟΥΔΙΑΣΤΗΜΑΤΟΣ

The Engine, Gulliver's Travels. Multivac (Isaac Asimov)Alpha-60 (Alphaville,1965) Alfie (Barbarella,1968) MU-TH-R 182 Mother (Alien 1979) The Matrix (The Matrix series 1999….)