dr Piotr Biegański
Instytut Fizyki Poitechniki Wrocławskiej
Budynek A-1 pok. 37/3
tel. 320 27 87
kom. 504 855 199
e-mail: Piotr.Bieganski@if.pwr.wroc.pl
FIZYKA TECHNIK INFORMACYJNYCH
na podstawie:
The Physics of Information Technology
by Neil Gershenfeld
Cambridge University Press
Przedmowa
Jak zależy szerokość pasma telefonicznego w zależności od ilości przesyłanych bitów w każdej sekundzie? Modemy pracują coraz szybciej, jaką prędkość mogą osiągnąć? Te praktyczne pytania mają nieoczekiwanie głęboko istotne odpowiedzi.
Dobry inżynier powinien znać teorię kodowania i rozumieć pojęcie pojemności kanału, ale często nie zna źródła szumów, które powodują te ograniczenia. Odpowiednio fizyk powinien znać teorię szumów i wiedzieć co powoduje szum w rezystorze, ale niewiele wie o technologii informatycznej. Informatyk wysyłając dane przez linię telefoniczną najczęściej nie zna żadnej ze stron tej wiedzy. Wiele interesujących aspektów związanych z tymi problemami może być pominięte z tego powodu. Schemat ten często się powtarza: ludzie często nie doceniają użyteczności zastosowań fundamentalnych praw w urządzeniach z których korzystają bądź wpływu na ich praktyczną wiedzę, przy czym nie jest ważne jak rozległą posiadają formalną akademicką wiedzę.
Wiele urządzeń komputerowych i telekomunikacyjnych pracuje blisko niezwykłych fizycznych ograniczeń. Ręczny odbiornik GPS stosuje zarówno specjalne jak i podstawowe poprawki relatywistyczne w trakcie pomiaru czasu pomiędzy sygnałami wysyłanymi z atomowych zegarów na satelitach aby uzyskać dokładność na poziomie 1ns.
Głowica twardego dysku o dużej pojemności pracuje w odległości rzędu jednej drogi swobodnej cząsteczki powietrza od powierzchni na której zapisana jest informacja. W tym wypadku klasyczny model aerodynamiczny wykorzystujący ciągłe różniczkowe równania nie może być stosowany. W tym wypadku ogromna pomysłowość potrzebna jest do znalezienia praktycznych rozwiązań wydających się nie do pokonania problemów technicznych.
Wykładniczy postęp jaki obserwujemy, jak na przykład podwajanie się szybkości procesorów w ciągu kilku lat, musi osiągnąć w pewnym momencie podstawowe fizyczne ograniczenia. Ścieżki przewodzące w układach CMOS nie mogą być węższe niż rozmiar atomu, sygnał nie może być przesyłany z prędkością większą niż prędkość światła, ładunek nie może być mniejszy niż jeden elektron. Uwzględniając te ograniczenia można sobie wyobrazić układ CMOS pracujący z wydajnością 109 operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę (gigaflop), ale 1012 takich operacji na sekundę (terraflop) wydaje się mało prawdopodobne.
Z tego powodu tradycyjny związek nauk podstawowych z praktycznymi musi ulec pewnej zmianie.
Wstęp
Dlaczego obliczenia wymagają energii?
Ponieważ jest coś nieodwracalnego w tym aby zapewnić postęp obliczeń (od wejścia do wyjścia) a nie odwrotnie, oraz ponieważ logiczne wymazywanie powoduje rozpraszanie energii.
Co to jest Komputer kwantowy?
Jest to komputer, który operuje na bicie kwantowym, który z kolei jest superpozycją wielu różnych stanów splątanych (powiązanych). Te właściwości zmieniają ilość niezbędnych operacji przy rozwiązywaniu ważnych problemów. Zmniejsza to czas obliczeń z eksponencjalnej do wielomianowej zależności od liczby bitów.
Co jest ograniczeniem gęstości zapisu w pamięci półprzewodnikowej?
Litografia (rozmiar wzoru użytego do konstrukcji komórki pamięci ograniczony jest długością użytej fali), elektromigracja (jeśli ścieżka przewodząca składa się ze zbyt małej ilości atomów może występować ich reakcja z przepływającym ładunkiem), pojemność elektryczna (jeśli zbyt mało elektronów użyjemy fluktuacje ich ilości mogą być znaczące).
Co powoduje ograniczenia gęstości zapisu na dyskach magnetycznych?
Energia granic domen magnetycznych, odległość głowicy.
Co ogranicza gęstość zapisu na dyskach optycznych?
Dyfrakcyjne ograniczenia ogniskowania światła proporcjonalne do jego długości.
Dlaczego kabel skrętkowy jest skręcony, a kabel koncentryczny jest współosiowy?
Aby zredukować niepotrzebne promieniowanie i odporność na interferencje oraz efektywnie przesyłać sygnał. Skręcone pary są lepsze dla małych częstości, a kable koncentryczne dla dużych.
Co powoduje szum elektronowy i w jaki sposób ogranicza to szybkość przesyłania danych?
Termodynamiczne fluktuacje, rozpraszanie na defektach, statystyka układów skończonych. Pojemność kanałów komunikacyjnych rośnie jak logarytm stosunku energii sygnału do energii szumu.
Co to jest ciekły kryształ i w jaki sposób moduluje światło?
Jest to materiał wykazujący daleko zakresowy porządek bez porządku translacyjnego. W przyłożonym polu elektrycznym jest w stanie skręcać płaszczyznę polaryzacji a co za tym idzie zmieniać intensywność światła jeśli umieszczony jest pomiędzy dwoma polaryzatorami
Te pytania są przykładami na jak wiele znanych urządzeń wykrywa, przesyła, przekształca i dostarcza informacje pracując niespodziewanie blisko fizycznych granic. W trakcie trwania wykładu dostarczymy czytelnikowi ilościowych odpowiedzi na wcześniejsze pytania.