Pomnilniki – shranjevanje podatkov

1 Uvod

Z besedo pomnilnik ali spomin označujemo tisti del mikroprocesorskega sistema, v katerem so shranjeni ukazi in operandi [1]. Ta definicija spomina je sicer izredno uporabna in aplikativna, nas pa na žalost s svojim strogim inženirskim pogledom drži uklenjene nekje v tesnih okvirih nič kaj duhovitega visokošolskega učbenika, od koder je seveda tudi vzeta. Če si pa malo privoščimo in točno to poved sedaj brezkompromisno razčešemo, nam pa poleg tega ponuja tudi eno precej elementarno, že skoraj organsko definicijo besede spomin. Spomin, oziroma pomnjenje, je torej sposobnost neke strukture (ali prostora), da navkljub pretečenem času ohranja svojo strukturo in s tem lastno entropijo. Sposobnost pomnjenja lahko torej pripišemo tako vsemu sodobnemu računalniškemu čipovju, kot pa seveda tudi neštetim naravnim organizmom in strukturam, sploh pa recimo človeški DNA, ki vztrajno ohranja svojo veličastno kodo, skozi številčne generacije človeštva, ki se medtem rojeva, živi in umira. Spomin je torej lahko marsikaj, od nič kaj navdihujočega flip-flopa ali celo zgolj rahlo nabitega kondenzatorja, pa vse do kompleksnih bioloških tvorb, kot je recimo naša lastna DNA. V nadaljevanju se bomo posvetili pomnilnim enotam, kakršne je zasnoval človek v preteklih 200 letih, malo pa bomo tudi raziskali nekatere potencialne ideje za razvoj pomnilnikov v prihodnosti.

2 Zgodovinski pregled

Človek je očitno od nekdaj imel občutek, da mora neko dogajanje okrog sebe shraniti, in ga ponovno doživljati nekoliko kasneje, nekje drugje. Leta 1878 je Thomas Edison patentiral stroj, ki je bil sposoben shraniti in celo reproducirati zvok. Stroj, ki se je imenoval fonograf (slika 1), je analogno zvoku vrezovala večje ali manjše brazde v mehko, z voskom prevlečeno površino valja.

Slika 1: Fonograf

Točno enajst let kasneje je Emile Berliner, v Nemčiji rojen Ameriški izumitelj patentiral prvi predvajalec zvoka – Gramofon (slika 2). Gramofon se je deloval na ročni pogon narejen pa je bil za hitrost vrtenja 70 obratov na minuto.



Slika 2: Gramofon

Sledilo je še precej podobnih izumov, med katerimi je verjetno najbolj revolucionaren prav magnetni trak, ki se je dolgo časa uporabljal tako v filmski in glasbeni industriji, kot tudi med nami, preprostimi uporabniki. Na magnetni trak lahko snemamo analogno ali digitalizirano informacijo. Primer analognega zapisa je vsem znana audio kaseta, primer digitalnega zapisa pa DAT (digital audio tape), ali pa kar tiste kasete s katerih smo še pred nekaj leti poganjali software na legendarnih računalnikih Synclair Spectrum.

Računalniški spomin se je pa v sami ideji pojavil že mnogo prej. Leta 1945 je Ameriška vojska razvila velikanski računalnik, ki je bil zgrajen iz 19000 elektronk, 1500 relejev in več tisoč uporov, kondenzatorjev in tuljav. Naprava, ki je tehtala celih 30 ton, za delovanje pa potrebovala 200KW moči, se je imenovala ENIAC – prvi elektronski računalnik na svetu.

Slika 3: ENIAC – prvi elektronski računalnik

ENIAC ni imel centralnega spomina, saj je imel izrazito serijsko strukturo, kjer so podatki pretekali iz enega računskega modula v drugega, pri čemer je lahko vsak računski modul, imenovan akumulator, lahko skladiščil desetmestno decimalno številko. Kot osnovo spomina v akumulatorju je ENIAC uporabljala flipflope povezane v kompleksna triodna vezja.

Klasifikacija spominskih enot

Spominske enote delimo na začasne (temporary storage) in trajne (permanent storage). Začasni spomin hrani informacijo le, kadar je priključen na napajanje (volatile memory), zato se te enote uporabljajo zgolj za shranjevanje podatkov med obdelavo in za hitrejše izvajanje ukaznih vrstic. Trajni spomin hrani informacijo tudi brez napajanja (non-volatile memory), zato se te enote uporabljajo za shranjevanje programov, informacij in rezultatov.

Spominske enote delimo tudi po zmožnosti spreminjanja informacij. Spominske enote, katerih podatke ne moremo spreminjati ali pa jih lahko spremenimo le s posebnim postopkom, imenujemo bralni spomin ali ROM (read-only memory). Spominske enote, katerih shranjevanje podatkov je prav tako enostavno kot branje, pa imenujemo bralno pisalni spomin ali RAM (random access memory). Poznamo tudi posebno vrsto spominskih enot, ki jih imenujemo spomin z zaporednim dostopom ali SAM (serial access memory). Te spominske enote ne omogočajo dostopa do poljubnih podatkov v poljubnem trenutku, ker je njihovo branje in pisanje zaporedno. Predstavniki SAM-a so predvsem kasete in spominski buffer-ji.

V spominskih enotah so lahko podatki shranjeni v analogni ali digitalni obliki. Zaradi nizke cene in zmeraj večje uporabe procesorjev, pa se danes uporabljajo predvsem digitalne spominske enote.

Glede na način shranjevanja in zajemanja podatkov spominske enote ločimo na:

- mehanske (gramofonske plošče, preluknjane kartice),

- optične (CD, DVD, hologramski disk),

- električne (SRAM, DRAM, Flash) in

- magnetne (trdi disk).

4 Računalniški spomin

Povezava centralno procesne enote (v nadaljevanju: CPE) s spominskimi enotami je lahko direktna ali indirektna. Direktna povezava je veliko hitrejša od indirektne, zato se uporablja zgolj za najhitrejše spominske enote, kot so: SRAM, DRAM in razni ROM-i. Danes CPE v računalniških sistemih za direktno dostopne spominske enote uporabljajo posebno vodilo (backside bus), ki je namenjeno zgolj za komunikacijo z začasnimi in zelo hitrimi spominskimi enotami, kot so: registri, ‘cache’ in RAM. Ostale spominske enote so povezane s CPE preko čelnega sistemskega vodila (frontside (system) bus) in vodilnih mostičev (bus bridge), kontrolerjev ter paralelno vhodno izhodnih enot (PIO).

4.1 SRAM (static random access memory)
SRAM-i so sestavljeni iz polprevodniških elementov na silicijevi ploščici in jih prištevamo k integriranimi vezji (integrated circuit - IC). Glavni sestavni deli SRAM-a so adresni dekoder, spominska mreža in spominske celice (memory cell). Spominska mreža je sestavljena iz adresnih (word line) in podatkovnih linij (bit line). Sestavni del spominske celice v SRAM-u je D flip-flop, zato so ti RAM-i izjemno hitri. Sposobni so komunicirati z CPE brez čakalnih stanj (zero wait-state (delay)), zato se uporabljajo predvsem za registre v procesorju, ‘primary cache’ in ‘secondary cache’. Edina slabost SRAM-a je majhna spominska gostota (število spominskih celic na enoto površine),.

4.2 DRAM (dynamic random access memory)

Sestavna dela spominske celice DRAM-a sta kondenzator in tranzistor, zato je spominska celica DRAM-a veliko manjša od spominske celice SRAM-a, spominska gostota DRAM-a pa veliko večja. DRAM je primeren za hitre spominske enote večje od 1Mb, kot je RAM v računalniških sistemih. Slabost DRAM-a je potreba po osveževanju spominskih celic. Kondenzatorji v spominskih celicah se namreč po nekem številu branja izpraznejo, zato je potrebno vsebino spomina redno osveževati. Za osveževanje spomina lahko v manjših mikroprocesorskih sistemih poskrbi procesor drugače pa spominski kontroler (memory controller).

4.4 ROM (read-only memory)

ROM-u včasih rečemo tudi ‘firmware’, ker je njegova vsebina odvisna od proizvajalca. Proizvajalec na željo uporabnika v ROM vgradi nekatere spominske celice, katerih sestavni del je dioda. V računalniških sistemih so se ROM-i uporabljali predvsem za BIOS (basic input output system). Danes pa se zaradi niske cene uporabljajo predvsem v govorečih igračah, glasbenih voščilnicah in ostalih masovno enako izdelanih proizvodih.

4.5 PROM (programmable read-only memory)

V PROM v primerjavi z ROM-om proizvajalec vgradi vse spominske celice, katerih sestavni del je dioda. Uporabnik nato s pomočjo programatorja z prevelikim tokom skozi diode uniči določene spominske celice (burning the PROM) in tako na ta mesta vpiše ničlo. Poškodba spominskih celic je trajna, zato je v PROM možen le enkraten vpis programa ali podatkov. To vrsto spomina se ponavadi uporablja za manjše serije izdelkov.

Slika 4: Spominska mreža in spominske celice v PROM-u.

4.6 EPROM (erasable programmable read-only memory)

Sestavni del EPROM-ove spominske celice je MOS-FET tranzistor s plavajočimi vrati, katerih edina električna povezava z ostalim vezjem je kapacitivnost. Izbrisan EPROM ponavadi vsebuje same enice kar pomeni, da so plavajoča vrata napolnjena z elektroni. Ker so vrata izolirana s silicijevem dioksidom, se naboj na vratih lahko ohrani tudi več desetletij. S pomočjo višje napajalne napetosti in tunelskega efekta lahko iz plavajočih vrat izpraznimo elektrone in tako vpišemo ničlo. Ko hočemo EPROM ponovno izbrisati, ga moramo izpostaviti ultravijolični svetlobi. EPROM-i se uporabljajo predvsem za odstranjevanje napak v programih ali pa v napravah, kjer pričakujemo občasno zamenjavo podatkov ali programa. Odstranjevanje napak v programu z EPROM-om ni tako potratno, kot je to z ROM-om ali PROM-om, je pa dolgotrajno. Ob vsakem preprogramiranju je potrebno EPROM odstraniti iz vezja, vsebino izbrisati z UV svetlobo, ga ponovno sprogramirati z programatorjem in vrniti nazaj v vezje.

4.7 EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory)

Z uporabo EEPROM-a namesto EPROM-a se rešimo dolgotrajnega postopka pri ponovnem programiranju naprave. EEPROM-a namreč ni potrebno odstraniti iz vezja, ni ga potrebno vedno popolnoma izbrisati in za programiranje ne potrebujemo posebne naprave, kot je programator. V EEPROM-u lahko namreč posamezen znak zbrišemo ali vpišemo električno in to kar v vezju, če nam le ta to omogoča.

4.8 Flash

Razlika med Flash-om in EEPROM-om je le v tem, da moramo Flash brisati in programirati v blokih po več znakov naenkrat. To močno poveča hitrost preprogramiranja celotnega integriranega vezja, vendar oteži spreminjanje vsebine le znak. Danes je uporaba Flash-ov zelo razširjena, kljub visoki ceni v primerjavi s trdimi diski, predvsem zaradi velike spominske gostote, robustnosti in hitrega branja podatkov. Uporabljamo ga v digitalnih kamerah kot sestavni del SmartMedia ali CompactFlash kartice, v računalniških sistemih kot sestavni del PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) kartic in v ostalih manjših mikroprocesorskih sistemih.

4.9 Trdi disk (hard disk)

Leta 1954 so v IBM-u naredili prvi trdi disk, ki je bil sestavljen iz petdesetih 24 inčnih plošč in je lahko shranil do 5Mb spomina. Spomin v trdih diskih je bil prvotno organiziran v sektorje, sledi in cilindre. To organizacijo je prvotno podpiral DOS (disk operating system), danes pa se uporablja predvsem LBA (logical block address) organizacija spomina kot so jo prvotno uporabljali SCSI kontrolerji. Moderni operacijski sistemi z LBA organizacijo dostopajo do trdih diskov brez uporabe BIOS-a. Nekateri operacijski sistemi pa uporabljajo DOS organizacijo zgolj zaradi kompatibilnosti.

Pri trdih diskih, ki se navzven obnašajo kot SAM-i, poznamo dva časovna faktorja, s pomočjo katerih ocenimo hitrost trdega diska: povprečni dostopni čas in bralna hitrost. Povprečni dostopni čas (data access time) trdih diskov je odvisen predvsem od: časa preklopa glave, iskalnega časa (seek time) in rotacijske pritajenosti. Bralna hitrost (transfer rate) trdih diskov je odvisna od: hitrosti vrtenja, spominske gostote (areal density), števila sektorjev na sledi, časa preklopa glave, iskalnega časa sosednjega cilindra, organizacije spomina in načina shranjevanja podatkov (mapping). Vse bralno pisalne glave v trdem disku so na eni ročici in so pozicionirane v enem od cilindrov. Čas preklopa glave je enak času, ki ga pogon rabi za preklop med dvema glavama. Iskalni čas je enak času, ki ga porabi ročica, da zamenja cilinder. Najkrajši iskalni čas je enak iskalnemu času sosednjega cilindra, najdaljši pa ‘full-stroke’ med notranjim in zunanjim cilindrom.

Slika 5: Bralno pisalne glave v trdem disku.

Rotacijska pritajenost je čas ko je glava že pozicionirana nad pravo sledjo in čaka, da do nje pride pravi sektor. Povprečna rotacijska pritajenost je enaka času, ki ga disk porabi za polovico obrata: 3ms (10k rpm), 4.2ms (7200 rpm) in 5.6ms (5400 rpm). Večja kot je hitrost vrtenja plošč in spominska gostota, večja je bralna hitrost trdih diskov. Klasično shranjevanje podatkov je tako, da je število sektorjev na sledi konstantno. Danes pa trdi diski uporabljajo predvsem tako imenovano ‘zoned-bit’ shranjevanje, kjer je število sektorjev na sled na zunanji sledi večje kot na notranji. Na ta način proizvajalci dosežejo bolj enakomerno spominsko gostoto po vsem disku. Ker pa je hitrost vrtenja diskov konstanta, je bralna hitrost zunanje sledi večja od notranje.

Slika 6: Klasično in ‘Zoned-bit’ shranjevanje podatkov.

Ker nekateri diski hitreje preklopijo glavo, kot pa poiščejo sosednji cilinder, drugi pa ravno obratno, različni diski uporabljajo različne načine shranjevanja podatkov. Poznamo vertikalno, horizontalno in mešano shranjevanje podatkov. Vertikalno shranjevanje uporabljajo diski, ki hitreje preklopijo glavo, kot zamenjajo cilinder. Horizontalno pa ravno obratno. Ker pa imajo razmeroma prazni diski, ki shranjujejo podatke horizontalno, razmeroma velik povrečni dostopni čas, se proizvajalci rajši odločajo za mešan način shranjevanja podatkov.

Slika 7: Načini shranjevanja podatkov: vertikalno, horizontalno in mešano.

4.10 Zgoščenka ali CD (Compact disk)

Podatki so na CD-ju shranjeni v spiralo s konstantno spominsko gostoto. Starejši pogoni CD-ROM so sproti prilagajali hitrost vrtenja CD-ja glede na oddaljenost bralne glave od sredine in so s tem dosegli branje vselej z isto hitrostjo. Ta tehnologija se imenuje konstantna linearna hitrost ali CLV (constant linear velocity). Pri tej tehnologiji se večino dostopnega časa porabi za prilagajanje hitrosti vrtenja CD-ja, zato se danes uporablja predvsem tehnologija konstantne kotne hitrosti ali CAV (constant angular velocity), pri kateri se hitrost motorja ne spreminja in zato hitrost branja podatkov z oddaljenostjo od središča nalašča. Pogoni s CLV tehnologijo imajo povprečni dostopni čas približno 150ms, pogoni s CAV tehnologijo pa le še 70ms. Enota 1x hitrosti CD-ROM-a je enaka 150kB/s.

Slika 8: Prerez CD plošče

Prvotno je CD format urejal standard ISO 9660 iz leta 1984. Ker pa je imel ta standard preveč tehničnih omejitev, je ISO (International Standards Organisation) uvedla standard ISO 13346, ki ureja področje optičnih spominskih enot. Vsak CD ima tako danes področje PCA (power calibration area), kjer lahko CD-rekorder kalibrira moč laserja. To območje ima možnost 99-tih kalibracij. Poleg PCA področja je področje PMA (program memory area). To področje je namenjeno zapisu začetka in konca pesmi pri glasbenem CD-ju in zapisu začetkov datotek pri podatkovnem CD-ju. PCA in PMA sestavljata skupaj SUA (system use area). Naslednje področje pa je področje informacij, ki ga delimo na ‘Lead-in’, področje programa in ‘Lead-out’. ‘Lead-in’ in ‘Lead-out’ sta področji digitalne tišine.

Slika 9: CD format po standardu ISO 13346.

4.11 DVD (digital versatile disc)

DVD-ji so nekakšna izboljšana verzija CD-jev. Proizvajalci so CD-jev 780nm laser v DVD-ju zamenjali z 650nm laserjem. To jim je omogočilo zapis podatkov z večjo spominsko gostoto, saj so le tako lahko občutno zmanjšali razdaljo med dvema sosednjima bitoma. Poleg tega so uporabili bolj učinkovito ECC (error correction code) in tako dobili večjo površino na disku, ki je namenjena dejanskim podatkom. Enota 1x hitrosti DVD-ja je enaka 1350kB/s.

Slika 10: Primerjava spominske gostote CD-ja (levo) in DVD-ja (desno).

Poznamo štiri DVD formate: enostranski (single-sided, single layer), dvostranski (double-sided, single layer), enostranski z dvojno plastjo (single-sided, double layer) in dvostranski z dvojno plastjo (double-sided, double layer). DVD-ji z dvojno plastjo so zgrajeni iz dveh zaporednih odbojnih plasti (reflective layer), pri čemer je prva plast delno prepustna. Namen takega načina shranjevanja je kot pri holografskem spominu shranjevanje podatkov v vse tri dimenzije medija. DVD-ji bi v principu lahko imeli tudi večje število plasti, med katerimi bi pogon preklapljal s laserskim focusom.

Slika 11: Štirje možni DVD formati: enostranski (zgoraj levo), dvostranski (zgoraj desno), enostranski z dvojno plastjo (spodaj levo) in dvostranski z dvojno plastjo (spodaj desno).

5. Razvoj v prihodnosti
Trenutno računalniško tržišče narekuje še precej intenziven razvoj vedno hitrejših in večjih pomnilnih enot, pri čemer je ravno hitrost dostopa tista ključna lastnost, ki je za razvoj računalniške tehnike najbolj pomembna. Oglejmo si nekaj tehnologij, ki si poskušajo utreti pot na tržišče.

5.1 MRAM (Magnetic random access memory)

Sicer precej stara tehnologija, ki pa si nekako še ni prebila med konkurenčne izdelka. Sestavni del spominske celice MRAM-a je ‘magnetic tunnel junction’ (MTJ), ki je sestavljen iz dveh feromagnetnih plasti med katerima je tanka izolacijska plast.

Slika 12: Sestavni del spominske celice MRAM-a ‘magnetic tunnel junction’ (MTJ).

Čeprav so prvo MTJ spominsko celico izdelali v IBM-u že leta 1974, se še zmeraj ukvarjajo z nekaterimi tehnološkimi problemi: majhna spominska gostota in visoka cena izdelave.
Slika 13: Spominska mreža in spominske celice ter branje in pisanje v MRAM.

Pri IBM-u pa še vedno upajo, da bo ta RAM nekoč konkurenčen vsem ostalim RAM-om, da bo imel spominsko gostoto DRAM-a, hitrost SRAM-a, hrati pa bo to trajni spomin in bo tako omogočil delovanje računalnikov brez predhodne inicializacije (boot-up).

5.1 Hologramski spomin

Hologram nastane, ko se dva koherentna snopa svetlobe križata v hologramskem mediju (ponavadi kristal) in na tem mestu ustvarita interferenčni vzorec. Ta interferenčni vzorec, imenovan Hologram, za nas predstavlja določeno količino informacije, ki je odvisna od strukture kristala in načina osvetlitve.

Slika 14: Ena od izvedb hologramskega spomina, ki pa očitno še ni primerna za tržišče

Sestavni del hologramskega trdnega diska bo kristal iz polimernega ali optično senzitivnega materiala, v katerega se bo s pomočjo fizične ali kemijske spremembe vpisalo določeno število podatkov. Trenutno polimerni in optično senzitivni materiali ne omogočajo ponovnih vpisov materiali ne omogočajo ponovnih vpisov podatkov in se zato obnašajo kot ROM-i. Predvideva se, da bodo ti diski omogočali shranjevanje ogromnih arhivov, saj lahko v optično senzitiven kristal volumna enega kubičnega centimetra zapišemo več gigabajtov podatkov, bralna hitrost hologramskega diska pa doseže več Tbitov/s. Tako veliko bralno hitrost dosežejo z dvodimenzionalnim branjem podatkov preko kamere. Danes je glavni izziv inžinirjev razviti optično senzitiven kristal, ki bo omogočal večkratno vpisovanje podatkov.

5.2 Molekularni spomin

Gre za preprosto idejo, da za skladiščenje podatkov uporabimo kar kakšno že obstoječo molekularno tvorbo, ki je sposobna svojo strukturo ohranjati, se pa ob določenih pogojih tudi spreminjati (pisanje v pomnilnik).

Slika 15: Že samo spin elektrona nam lahko predstavlja skladiščeno informacijo (simbolična slika)

Za najbolj primernega kandidata se je trenutno izkazal protein imenovan bacteriorhodopsin, ki se nahaja v membrani neke bakterije, pri kateri igra vlogo fotosinteze (pridobivanje energije iz svetlobe). Celotni fotocikel je shematično prikazan na sliki 16. S pomočjo absorbirane svetlobe protein prehaja med dvemi izredno stabilnima in obstojnima stanjema, kateri pa imata popolnoma različne svetlobno-absorbcijske lastnosti; dobili smo torej molekularni flipflop, z zavidljivo preklopno hitrostjo 500 femtosekund.

Slika 16: Fotocikel bakterije bacteriorhodopsin

Vsa uporabnost tega fotocikla za skladiščenje podatkov je v tem, da protein v različnih stanjih absorbira različne frekvence svetlobe. Laser s določeno frekvenco je lahko uporabljen za prehode med spominskimi stanji. Stanje pa preprosto preberemo tako, da z laserjem protein obsvetimo, s fotosenzitivnim materialom postavljenim na drugi strani pa ugotovimo, ali je protein svetlobo absorbiral, ali ne. Absorbcijke lastnosti za posamezna stanja proteina prikazuje slika 17. Prednost molekularnega spomina je predvsem v majhnosti medija in pa obstojnosti informacije, katero ocenjujejo na nekaj let (brez osveževanja).

Slika 17: Absorbcijski spektri za posamezna stanja proteina.

Ker so vmesna stanja proteina popolnoma stabilna, govorimo o tranjem spominu (non-volatile memory).

6. Omejitve

Zanimivo se je vprašati, ali se bo razvoj računalniške tehnike tudi v prihodnosti nadaljeval z isto hitrostjo. Približujemo se namreč hitrostim, kjer lahko naravne procese brez težav v realnem času simuliramo, s dobro premišljeno ekstrapolacijo pa procese tudi napovedujemo in usmerjamo, kar pa je nakako osrednja ideja vojaške tehnologije (algoritmi za sledilne rakete,…)

Odpira se nam torej velikansko področje aplikacij za simulacijo in vodenje procesov v realnem času, pri katerih bo povsod velika potreba tako po izredno hitrih predpomnilnikih, kot po velikanskih glavnih pomnilnikih, ki bodo skladiščili baze podatkov. Velikanski in hitri pomnilniki bodo seveda tudi poskrbeli za razcvet modeliranja v slogu “Black Box kinda way”, kjer pomankljivo razumevanje procesa kompenziramo z uporabo velikanskih baz podatkov in matrik prepotentnih razsežnosti.

Do kakšnih hitrosti nam bo uspelo priti, oziroma kolikšne hitrosti nam bo sploh še uspelo dovolj nadzorovati, da bodo uporabne v inženirske namene, je pa vprašanje, ki sega nekam globoko v osrčje fizike.

6.1 Princip kvantne mehanike

Ker se pri načrtovanju mikroprocesorjev počasi približujemo velikostnim redom nekaj nanometrov, kjer se fizika obnaša malo bolj svobodno in si sem ter tja privošči tudi kakšen kvantni skok, si poglejmo s kakšnimi težavami se utegnemo soočiti v bližnji prihodnosti.

Če želimo naprimer vedeti kje in v kakšnem stanju se nek delec nahaja, moramo nanj posvetiti s nekim valovanjem in opazovati odboj le-tega. To je najmanj destruktivni princip s katerim lahko opazujemo materijo okrog sebe, ki je pa hkrati tudi osnovni princip s katerim gledamo tako mi ljudje, kot pa tudi ostala živa bitja. Problem pa je v tem, da že osvetlitev sama po sebi vpliva na opazovan objekt in ga s svojo energijo premakne ali pa spravi v kako drugo energetsko stanje. Mi sicer res ugotovimo, v kakšnem stanju je bil opazovanec tik pred meritvijo, ampak nam ta informacija po meritvi več ne predstavlja nobene koristi, saj smo na delec že z samo (to, isto) meritvijo vplivali. Energija sevanja je večja pri višjih frekvencah in sicer narašča v kvadratični odvisnosti od frekvence. Če torej želimo čimmanj vplivati na delec, moramo uporabiti sevanje nizkih frekvenc. Problem pa je, da so v tem primeru meritve manj natančne, saj položaja ne moremo nikoli določiti bolj natančno kot je ena polovica valovne dolžine sevanja, s katerim objekt obsevamo. Za višjo natančnost moramo torej uporabiti svetlobo višje frekvence, ki pa ima s tem tudi večjo energijo.

Pojavi se torej dilema. O delcu lahko zelo natančno ugotovimo kje se je nahajal tik pred meritvijo, sama meritev pa ga deformira in premakne nekam popolnoma drugam. Po drugi strani pa lahko izvedemo manj natančno meritev (pri nizkih frekvencah), ki pa je zaradi tega manj destruktivna, seveda pa tudi manj točna. To dialektično načelo, ki se imenuje Heisenbergovo načelo nedoločljivosti, je osnovni princip Kvantne Mehanike, hkrati pa že skoraj nekakšna humoreskna karikatura znanosti, ki se nekako znova in znova sooča z dejstvom, da vsega pač ne more stehtati, spraviti na nek skupni imenovalec in zapečatiti s še tako prikladno matriko. Opazovalec namreč vedno vpliva na sistem katerega opazuje - pač, tudi vedenje ima svojo ceno.

6.2 Hitrost in velikost

Ortodoksna narava kvantne mehanike pa pride do izraza šele pri majhnih dimenzijah na nivoju nekaj nanometrov, kjer se začnejo dogajati prvi kvantni skoki. Trenutni potrošniški mikroprocesorji se danes razvijajo pri velikostnih dimenzijah 250 nanometrov, kjer se fizika obnaša še popolnoma po pravilih klasične mehanike, torej se današnja mikroprocesorska tehnika lahko pomanjša še približno stokrat, potem pa se bo morala soočiti z novimi pravili igre. Po drugi strani pa se nanotehnologija že precej časa ukvarja prav s procesi iz kvantnega sveta, saj pogosto že izhaja iz gradnikov in procesov iz biologije in kemije.

6.3 Človeški faktor

Seveda moramo pa znati vsak mikroprocesor tudi uporabljati. Tukaj pa pride v poštev dobro razumevanje samih fizikalnih zakonitosti procesov, ki se v čipu dogajajo. Če z razumevanjem mehanizmov okrog sebe človek nasploh ne bi imel nikakršnih težav, bi že od samega začetka programiral kar molekule iz narave in bi se s tem ognil vsej potratni in nedomiselni silikonsko - čipovski industriji. Ker pa mehanizmov v biološkem svetu ne obvladujemo, smo raje izdelali elektronske čipe, ki delujejo po nam dobro znanih pravilih in za njih napisali algoritme, katerim smo lažje kos.

S tem, ko pa se tudi po tej poti počasi približujemo kvantnemu svetu, bi bilo že skoraj smešno tem čipom vsiljevati našo Newton-ovsko logiko, saj pri tem velikostnem razredu preprosto ni več ustrezna. Tukaj govorimo o valovnih enačbah posameznega delca in ne več o enolično določenih stanjih, katere lahko preberemo kot 1 ali 0. Z uporabnostnega stališča pa to sploh ni nikakršna slabost. Dejstvo, da delec (naprimer elektron) nima enolično določenega stanja, za nas lahko predstavlja neko novo, bolj dinamično informacijo. Ta informacija sicer ni enolično določena in je ves čas soodvisna od celotnega sistema, v katerem se nahaja, kar pa pri programiranju in načrtovanju zahteva popolnoma nov način razmišljanja. Klasično Boolovo algebro bo morda nadomestila neka domiselna izpeljanka verjetnostnega računa, ali pa kar celo nekakšen poenostavljen sistem Schrödingerjevih valovnih enačb. Morda bomo za spremenljivke stanj namesto enolično določenih vrednosti 1 in 0 nekoč uporabljali kar slučajne spremenljivke in že v osnovi operirali z verjetnostmi, s čimer bi se še bolj približali kvantnemu svetu. Če bomo vsemu temu kos, nam bo kvantni svet odprl nek nov, morda bolj celovit pogled na svet v katerem živimo.

7. Zaključek
Človek očitno res že od nekdaj čuti nezadržno potrebo, da mora neko dogajanje okrog sebe shraniti, in ga ponovno doživljati nekoliko kasneje, nekje drugje. S tem interesom se bo razvilo še mnogo velikih in hitrih pomnilnih enot, ki se bodo uporabljale tako v zabavni elektroniki kot tudi v profesionalni laboratorijski opremi. Pomnjenje in skladiščenje podatkov pa ni zgolj pasivno kopičenje bitov, temveč tudi izredno vitalna in dinamična dejavnost, nujno potrebna pri kakršnikoli obdelavi podatkov nasploh. Ta vloga pa se še posebej kaže v hierarhiji sodobnih računalniških sistemov, kjer predpomnilnik ves čas dinamično sodeluje z procesorjem, medtem ko pa glavni pomnilnik skladišči praktično vse potrebne podatke. Razvoju vedno hitrejših procesnih enot bo torej tudi sledil razvoj pomnilnikov z primerljivim dostopnim časom za izmenjavo podatkov s primerno hitrostjo. Pomnjenje je namreč nujno potrebno pri kakršnikoli obdelavi podatkov. V nasprotnem primeru bi naši algoritmi za obdelavo bili omejeni zgolj na strogo zaporedno obdelavo podatkov, kar je pa mnogo manj učinkovito pri sodobnem modeliranju, kjer je izredno pomembno, da trenutne vrednosti spremenljivk usmerjajo nadaljni proces.

Z razvojem vedno hitrejših in manjših pomnilnih enot se pa počasi približujemo velikostnim redom, kjer postanejo procesi težje obvladljivi. Pri velikosti enega nanometra, kar je 250 krat manj od širine pomnilne adrese pri RAM-u, se dogajajo že kvantni skoki in ne moremo več govoriti o posameznih delcih in njihovih stanjih, temveč zgolj o verjetnostih in valovnih funkcijah le teh. Razvoj klasičnih mikroprocesorskih vezij je torej velikostno omejen, razen če se bomo podredili pravilom kvantnega sveta in začeli razvijati vezja v skladu z njimi. Razvoj molekularnega spomina se s temi pravili sooča že od samega začetka in morda je prav tukaj prihodnost sodobne tehnologije.

Literatura:
[1] Dušan Kodek: Mikroprocesorski sistemi, Ljubljana 1993
[2] Scientific American, March1995

Spletni viri:

http://www.howstuffworks.com

http://www.pcguide.com

http://www.nanotech-now.com

http://www.tomshardware.com

http://www.embedded.com

http://www.byte.comINPUT

Ta prispevek je na portalu publikacije.net objavil/a leskovsek dne 2006-07-12.

Matevž Leskovšek Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko Tržaška 25, 1001 Ljubljana, Slovenija matevz [dot] leskovsek [at] gmail [dot] com

Ocenite prispevek:

5 out of 54 out of 53 out of 52 out of 51 out of 5 

# of Ratings = 16 | Rating = 4.6/5