Transistorielementtien koko pienenee jatkuvasti sirun pakkaamiseksi. Vuonna 2001 transistorin mitat olivat yleensä 0,25 mikronia (tai mikrometriä; 1 mikronia = 10−6metri) ja 0,1 mikronin ennustettiin vuodeksi 2006. Viimeksi mainitun koon ansiosta sirulle voitaisiin sijoittaa 200 miljoonaa transistoria (noin 40 miljoonaa vuonna 2001). Koska näkyvän valon aallonpituus on liian suuri riittävälle resoluutiolle niin pienessä mittakaavassa, ultraviolettivalolitografiatekniikoita kehitetään. Kun koot pienenevät edelleen, elektronisäde- tai röntgentekniikat ovat välttämättömiä. Jokainen tällainen ennakko vaatii uusia tuotantolaitoksia, jotka maksavat useita miljardeja dollareita kappaleelta.
Pelimerkkien lisääntyvä nopeus ja tiheys ovat johtaneet teho-ongelmiin kulutus ja hajaantuminen . Keskusyksiköt haihduttavat nyt tyypillisesti noin 50 wattia tehoa - niin paljon lämpöä neliötuumaa kohti kuin sähköliesi-elementti tuottaa - ja vaativat jäähdytyselementtejä ja jäähdytyspuhaltimia tai jopa vesijäähdytysjärjestelmiä. Kuten prosessori nopeudet kasvavat, kryogeeniset jäähdytysjärjestelmät voivat olla tarpeen. Koska akkuteknologiat eivät ole pysyneet kannettavien laitteiden virrankulutuksen tahdissa, kiinnostus galliumarsenidi (GaAs) -siruja kohtaan on uusi. GaAs-sirut voivat toimia suuremmilla nopeuksilla ja kuluttaa vähemmän virtaa kuin pii-sirut. (GaAs-sirut ovat myös vastustuskykyisempiä säteilylle, mikä on tekijä sotilas- ja avaruussovelluksissa.) Vaikka GaAs-siruja on käytetty supertietokoneissa niiden nopeuden vuoksi, GaAs-hauraus on tehnyt siitä liian kallista useimmille tavallisille sovelluksille. Yksi lupaava idea on sitoa GaAs-kerros piialustaan käsittelyn helpottamiseksi. GaAs ei kuitenkaan ole vielä yleisessä käytössä paitsi joissakin suurtaajuisissa viestintäjärjestelmissä.
1990-luvun alusta lähtien tutkijat ovat keskustelleet kahdesta spekulatiivisesta, mutta mielenkiintoisesta uudesta lähestymistavasta laskentaan - kvanttilaskennasta ja molekyylilaskennasta (DNA). Jokainen tarjoaa mahdollisuuden erittäin rinnakkaiseen laskentaan ja kiertää lähestyviä fyysisiä rajoituksia Mooren laki .
Tutustu kvanttitietokoneen valmistamiseen Stuttgartin yliopiston fysiikan instituutissa. Opi kvanttitietokoneista. Contunico ZDF Enterprises GmbH, Mainz Katso kaikki tämän artikkelin videot
Kvanttimekaniikan mukaan elektronilla on binäärinen (kaksiarvoinen) ominaisuus, joka tunnetaan nimellä spin. Tämä ehdottaa toista tapaa edustaa vähän tietoa. Vaikka yhden hiukkasen tietojen tallennus on houkutteleva, sitä olisi vaikea käsitellä. Perusajatus kvantti laskenta riippuu kuitenkin toisesta kvanttimekaniikan piirteestä: että atomimittakaavan hiukkaset ovat kaikkien mahdollisten tilojensa päällekkäin havaintoon asti tai mittaus , romahtaa niiden mahdolliset tilat yhteen todelliseen tilaan. Tämä tarkoittaa, että jos hiukkasten järjestelmä - joka tunnetaan kvanttibitteinä tai kviteinä - voidaan kietoutua yhteen, kaikkia niiden tilojen mahdollisia yhdistelmiä voidaan käyttää samanaikaisesti laskennan suorittamiseen, ainakin teoriassa.
Todellakin, vaikka muutama algoritmeja on suunniteltu kvanttilaskennalle, hyödyllisten kvanttitietokoneiden rakentaminen on ollut vaikeampaa. Tämä johtuu siitä, että qubitien on säilytettävä johdonmukaisuus (kvanttisitoutuminen) toistensa kanssa estäen samalla dekoherenssin (vuorovaikutus ulkoisen ympäristön kanssa). Vuodesta 2000 lähtien suurin rakennettu takertunut järjestelmä sisälsi vain seitsemän kuittiota.
Vuonna 1994 Leonard Adleman, matemaatikko Etelä-Kalifornian yliopisto , osoitti ensimmäisen DNA-tietokoneen ratkaisemalla yksinkertaisen esimerkin ns. matkustavan myyjän ongelmasta. Matkustavan myyjän ongelma - tai yleisemmin tietyntyyppiset verkko-ongelmat graafiteoriassa - pyytää reittiä (tai lyhintä reittiä), joka alkaa tietystä kaupungista tai solmusta ja kulkee kaikkiin muihin solmuihin täsmälleen kerran. Digitaaliset tietokoneet ja riittävän pysyvät ihmiset voivat ratkaista pienet verkot yksinkertaisesti luetteloimalla kaikki mahdolliset reitit ja vertaamalla niitä, mutta solmujen määrän kasvaessa mahdollisten reittien määrä kasvaa räjähdysmäisesti ja pian (noin 50 solmun yli) ylittää nopeimmin supertietokone. Vaikka digitaaliset tietokoneet ovat yleensä pakollisia suorittamaan laskelmia sarjana, Adleman tajusi voivansa hyödyntää DNA-molekyylejä suorittaakseen massiivisesti rinnakkaisen laskennan. Hän aloitti valitsemalla erilaiset nukleotidisekvenssit edustamaan kutakin kaupunkia ja jokaista suoraa reittiä kahden kaupungin välillä. Sitten hän teki biljoonia kopioita kustakin näistä nukleotidisäikeistä ja sekoitti ne koeputkeen. Alle sekunnissa hänellä oli vastaus, vaikkakin sekä muutama sata biljoonaa väärää vastausta. Basicin käyttäminen yhdistelmä-DNA laboratoriotekniikoiden jälkeen Adleman käytti yhden viikon eristäen vastauksen - teurastamalla ensimmäiset molekyylit, jotka eivät alkaneet ja päättyneet oikeilla kaupungeilla (nukleotidisekvenssit), sitten sellaisten molekyylien teurastuksella, jotka eivät sisällä oikeaa määrää kaupunkeja, ja lopuksi ne, jotka eivät sisältäneet jokaisessa kaupungissa täsmälleen kerran.
Vaikka Adlemanin verkko sisälsi vain seitsemän solmua - digitaalisten tietokoneiden kannalta erittäin triviaali ongelma -, se oli ensimmäinen osoitus DNA-laskennan toteutettavuudesta. Siitä lähtien Erik Winfree, tietotekniikan tutkija Kalifornian teknillinen instituutti , on osoittanut, että ei-biologiset DNA-variantit (kuten haarautunut DNA) voidaan sovittaa tallentamaan ja käsittelemään tietoa. DNA ja kvanttilaskenta ovat edelleen mielenkiintoisia mahdollisuuksia, jotka, vaikka osoittautuisivatkin epäkäytännöllisiksi, voivat johtaa tulevaisuuden tietokoneiden laitteistokehitykseen.
ainetta, joka aiheuttaa immuunivasteen, kutsutaan (n)
Käyttöjärjestelmät hallitsevat tietokoneen resursseja - muistia, oheislaitteita ja jopa suorittimen käyttöä - ja tarjoavat parhaan palvelun käyttäjän ohjelmille. UNIX, joka on ensin kehitetty minitietokoneille ja jota käytetään nyt laajalti sekä tietokoneissa että keskusyksiköissä, on yksi esimerkki; Linux (UNIX-versio), Microsoft Corporationin Windows XP ja Apple Computer SINÄ X ovat muita.
Voidaan ajatella käyttöjärjestelmää samankeskisten kuorien joukoksi. Keskellä on paljas prosessori, jota ympäröivät käyttöjärjestelmän rutiinikerrokset tulon / lähdön (I / O), muistin käytön, useiden prosessien ja prosessien välisen viestinnän hallitsemiseksi. Käyttäjäohjelmat sijaitsevat uloimmassa kerroksessa. Jokainen kerros eristää sisäkerroksensa suoralta pääsyltä tarjoten samalla palveluja ulommalle kerrokselleen. Tämä arkkitehtuuri vapauttaa ulkokerrokset tarvitsematta tietää alemman tason operaatioiden yksityiskohtia, samalla kun suojataan sisäisiä kerroksia ja niiden olennaisia palveluita häiriöiltä.
mitä kaaren joan teki
Varhaisissa tietokoneissa ei ollut käyttöjärjestelmää. Käyttäjä latasi ohjelman paperinauhasta käyttämällä kytkimiä määrittämään muistiosoitteensa, aloittamaan lataamisen ja suorittamaan ohjelman. Kun ohjelma oli valmis, tietokone pysähtyi. Ohjelmoijan oli tiedettävä kaikki tietokoneen yksityiskohdat, kuten kuinka paljon muistia sillä oli ja ohjelman käyttämien I / O-laitteiden ominaisuudet.
Nopeasti huomattiin, että tämä oli tehottomaa resurssien käyttöä, varsinkin kun prosessori oli pääosin tyhjäkäynnillä odottaessaan suhteellisen hitaita I / O-laitteita tehtävien, kuten tietojen lukemisen ja kirjoittamisen, suorittamiseen. Jos sen sijaan useita ohjelmia voitaisiin ladata kerralla ja koordinoida niiden laskennan ja I / O: n lomittamiseksi, voitaisiin tehdä enemmän työtä. Aikaisimmat käyttöjärjestelmät olivat pieniä esimiesohjelmia, jotka tekivät juuri tämän: ne koordinoivat useita ohjelmia, hyväksyivät käskyt operaattorilta ja tarjosivat kaikille I / O-perustoiminnot. Näitä kutsuttiin moniohjelmoiduiksi järjestelmiksi.
Moniohjelmoidun järjestelmän on ajoitettava ohjelmansa jonkin prioriteettisäännön mukaan, kuten ensin lyhyimmät työpaikat. Sen on suojattava heitä keskinäisiltä häiriöiltä estääkseen ohjelman osoitevirheitä vioittamasta toisen tietoja tai koodia. Sen on varmistettava häiriöttömyys I / O: n aikana, jotta useiden ohjelmien ulostulo ei sekoittu tai tuloa ohjata väärin. Se voi myös joutua tallentamaan kunkin työn suorittimen ajan laskutusta varten.
1960-luvulla kehitettiin moniohjelmointijärjestelmien laajennus, joka tunnetaan eri tavoin nimellä usean käyttäjän tai ajan jakojärjestelmät. (Tämän kehityksen historian vuoksi katso Ajanjako Project MAC: stä UNIX: iin.) Ajanjako antaa monille ihmisille mahdollisuuden olla vuorovaikutuksessa tietokoneen kanssa kerralla, jolloin kukin saa pienen osan suorittimen ajasta. Jos suoritin on riittävän nopea, se näyttää olevan omistettu jokaiselle käyttäjälle, varsinkin kun tietokone voi suorittaa monia toimintoja odottaessaan, että jokainen käyttäjä on kirjoittanut viimeisimmät komennot.
Usean käyttäjän käyttöjärjestelmissä käytetään tekniikkaa, joka tunnetaan nimellä moniprosessointi, tai moniajo (kuten useimmat nykyään yhden käyttäjän järjestelmät), joissa jopa yksi ohjelma voi koostua monista erillisistä laskennallisista toiminnoista, joita kutsutaan prosesseiksi. Järjestelmän on seurattava aktiivisia ja jonossa olevia prosesseja, kun jokaisen prosessin on käytettävä toissijaista muistia hakeakseen ja tallentaakseen koodinsa ja datansa sekä muiden resurssien, kuten perifeerinen laitteet.
Koska päämuisti oli hyvin rajallinen, varhaisen käyttöjärjestelmän oli oltava mahdollisimman pieni, jotta muille ohjelmille olisi tilaa. Tämän rajoituksen voittamiseksi käyttöjärjestelmät käyttävät virtuaalimuistia, joka on yksi monista laskentatekniikoista, jotka on kehitetty 1950-luvun lopulla Tom Kilburnin johdolla Englannin Manchesterin yliopistossa. Virtuaalimuisti antaa jokaiselle prosessille suuren osoitetilan (muisti, jota se saattaa käyttää), usein paljon suuremman kuin todellinen päämuisti. Tämä osoitetila sijaitsee toissijaisessa muistissa (kuten nauha tai levyt), josta osat kopioidaan tarvittaessa päämuistiin, päivitetään tarvittaessa ja palautetaan, kun prosessi ei ole enää aktiivinen. Jopa virtuaalimuistin kanssa käyttöjärjestelmän jonkin ytimen on kuitenkin oltava päämuistissa. Varhaiset UNIX-ytimet käyttivät kymmeniä kilotavuita; tänään ne käyttävät yli megatavua, ja Pc käyttöjärjestelmät ovat vertailukelpoisia pääosin päämuistin hintojen laskun vuoksi.
Käyttöjärjestelmien on ylläpidettävä virtuaalimuistitaulukoita, jotta voidaan seurata kunkin prosessin osoitetilan sijaintia, ja nykyaikaiset suorittimet tarjoavat erityisiä rekistereitä tämän tehostamiseksi. Itse asiassa suuri osa käyttöjärjestelmästä koostuu taulukoista: prosessitaulukot, tiedostot ja niiden sijainnit (hakemistot), kunkin prosessin käyttämät resurssit ja niin edelleen. On myös taulukoita käyttäjätileistä ja salasanoista, jotka auttavat hallitsemaan käyttäjän tiedostojen käyttöä ja suojaavat niitä vahingossa tapahtuvilta tai ilkeä häiriöitä.
Vaikka tavallisten tietokoneiden käyttöjärjestelmien muistivaatimusten minimointi on ollut tärkeää, se on ollut ehdottoman välttämätöntä pienille, edullisille erikoistuneille laitteille, kuten henkilökohtaisille digitaalisille avustajille (PDA), älypuhelimille, kannettaville laitteille pakattujen musiikkitiedostojen kuunteluun ja Internet-kioskit. Tällaisten laitteiden on oltava erittäin luotettavia, nopeita ja suojattuja murtautumisilta tai korruptiolta - matkapuhelinta, joka jäätyy puhelun keskelle, ei sallita. Voidaan väittää, että näiden ominaisuuksien tulisi luonnehtia mitä tahansa käyttöjärjestelmää, mutta PC-käyttäjät näyttävät olevan melko suvaitsevaisia usein käynnistyviä käyttöjärjestelmävikoja vastaan.
mikä oli ensimmäinen maailmansota
Vielä rajallisemmat ovat sulautetut tai reaaliaikaiset järjestelmät. Nämä ovat pieniä järjestelmiä, jotka ohjaavat koneisiin upotettuja ohjausprosessoreita tehtaan tuotantolinjoista kodinkoneisiin. He ovat vuorovaikutuksessa heidän kanssaan ympäristössä , anturien tietojen ottaminen ja vastaavien vastausten tekeminen. Sulautettuja järjestelmiä kutsutaan koviksi reaaliaikaisiksi järjestelmiksi, jos niiden on taattava aikataulut, jotka käsittelevät kaikki tapahtumat jopa pahimmassa tapauksessa, ja pehmeät, jos viivästyneet määräajat eivät ole kohtalokkaita. Lentokoneen ohjausjärjestelmä on kova reaaliaikainen järjestelmä, koska yksittäinen lentovirhe voi olla kohtalokas. Lentoyhtiöiden varausjärjestelmä on toisaalta pehmeä reaaliaikainen järjestelmä, koska hylätyt varaukset ovat harvoin katastrofaalisia.
Monet nykyaikaisten suorittimien ja käyttöjärjestelmien ominaisuudet eivät sovi koville reaaliaikaisille järjestelmille. Esimerkiksi putkijohdot ja superskalaariset useita suoritusyksiköitä tuottavat korkean suorituskyvyn satunnaisten viiveiden kustannuksella, kun haaran ennakointi epäonnistuu ja putki täytetään tarpeettomilla ohjeilla. Samoin virtuaalimuisti ja välimuistit antaa keskimäärin hyvät muistin käyttöajat, mutta joskus ne ovat hitaita. Tällainen vaihtelu on vastenmielinen vastaamaan vaativiin reaaliaikaisiin aikatauluihin, joten sulautettujen prosessorien ja niiden käyttöjärjestelmien on yleensä oltava suhteellisen yksinkertaisia.
Käyttöjärjestelmät voivat olla omia tai avoimia. Suurkonejärjestelmät ovat suurelta osin olleet omistama , toimittaa tietokoneen valmistaja. PC-verkkotunnuksessa Microsoft tarjoaa omistamansa Windows-järjestelmät, jotka Apple on toimittanut Mac käyttöjärjestelmä Macintosh-tietokoneille, ja on olemassa muutamia muita vaihtoehtoja. Tunnetuin avoin järjestelmä on ollut alun perin Bell Laboratoriesin kehittämä UNIX, jota toimitetaan vapaasti yliopistoille. Linux-versiossaan se on saatavana useille tietokoneille, työasemille ja viimeksi IBM keskusyksiköt.
Avoin lähdekoodi ohjelmisto on tekijänoikeuksin suojattu, mutta sen tekijä myöntää ilmaisen käytön, johon sisältyy usein oikeus muuttaa sitä edellyttäen, että uuden version käyttöä ei rajoiteta. Linuxia suojaa Free Software Foundationin GNU General Public License, kuten kaikki muutkin GNU-projektin ohjelmistot, ja tämä suoja antaa käyttäjille mahdollisuuden muokata Linuxia ja jopa myydä kopioita edellyttäen, että tämä ilmainen käyttöoikeus säilytetään kopioissa .
Yksi seuraus vapaan käytön oikeudesta on, että lukuisat kirjoittajat ovat osallistuneet GNU-Linux-työhön lisäämällä monia arvokkaita komponentteja perusjärjestelmään. Vaikka laadunvalvontaa hallitaan vapaaehtoisesti ja jotkut ovat ennustaneet, että Linux ei selviä raskaasta kaupallisesta käytöstä, se on ollut huomattavan onnistunut ja näyttää olevan hyvällä tulossa UNIX: n versioksi keskusyksiköissä ja Internet-palvelimina käytetyissä tietokoneissa.
UNIX-järjestelmässä on muita muunnelmia; jotkut ovat omistettuja, vaikka suurinta osaa käytetään nyt vapaasti, ainakin ei-kaupallisesti. Ne kaikki tarjoavat jonkinlaisen graafisen käyttöliittymän. Vaikka Mac OS on ollut oma, sen nykyinen versio, Mac OS X, on rakennettu UNIX-järjestelmään.
Omistusjärjestelmät, kuten Microsoftin Windows 98, 2000 ja XP tarjoavat erittäin paljon integroitu järjestelmät. Kaikki käyttöjärjestelmät tarjoavat esimerkiksi tiedostohakemistopalveluja, mutta Microsoft-järjestelmä saattaa käyttää hakemistoon samaa ikkunanäyttöä kuin Maailman laajuinen verkko selain. Tällainen integroitu lähestymistapa vaikeuttaa ei-omistettujen ohjelmistojen käyttämistä Windows-ominaisuuksissa, ominaisuus, joka on ollut ongelma Microsoftin kilpailuoikeudenkäynneissä.
