Arqitetura
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL INSTITUTO DE NFORMATICA PPGC – PROGRAMA DE PУS-GRADUAЗГO EM COMPUTAЗГO CMP 135 Arquiteturas Especiais de Computadores prof. Philipe Navaux Computaзгo Quвntica Francisco Josй Prates Alegretti MC083/2004 Francisco Josй Prates reflexхes sobre Com 4 Й feita uma anбlise s e p atualmente, as suas I Sгo apresentados alg -O Este texto contйm utaзгo Quвntica. ue possumos ades para o futuro. bre a Arquitetura de Von Neumann e a Computaзгo Quвntica. O enfoque do texto й sobre a significвncia desses conceitos e as consequкncias que les implicam na Ciкncia da Computaзгo. . COMPUTAЗГO CLБSSICA O computador tal qual o conhecemos atualmente й baseado na arquitetura de Von Neumann. Um computador de Von Neumann faz uma distinзгo clara entre elementos de processamento e armazenamento de informaзхes, isto й, possui processador e memуria separados por um barramento de comunicaзгo. Mais especificamente, destaca- se duas caracterнsticas em particular sobre um computador de Von Neumann: a organizaзгo da memуria e o mйtodo de processamento. As palavras de memуria podem conter tanto instruзхes como dados.
O processamento, por sua vez, й seqьencial, podendo conter desvios condicionais ou da memуria principal (que contйm os programas executбveis e seus arquivos de dados). Essas sгo as duas caracterнsticas mais importantes da arquitetura de Von Neumann; elas definem nгo apenas o computador em si, mas tudo o que estб associado com ele, ou seja, desde os algoritmos que sгo elaborados atй a eficiкncia com que conseguimos resolver determinados problemas. Para ilustrar melhor a importвncia dessas caracterнsticas da arquitetura de Von Neumann, considere o exemplo a seguir.
Quando um programador implementa m software, computacionalmente, ele estб escrevendo um algoritmo para solucionar determinado problema. A forma como a maioria dos programadores pensa e imagina essa soluзгo й de forma sequencial, nгo apenas porque pensamos de forma seqьencial, mas porque os computadores que construнmos e utilizamos hб cinqьenta anos tambйm trabalham de forma seqьencial. A programaзгo (estruturada, lуgica ou funcional) e o processamento sequencial sгo consequкncias diretas da arquitetura de Von Neumann. Mesmo novos paradigmas de programaзгo, como a Orientaзгo a Objetos, ainda estгo restritos a Von Neumann.
Essa forma de organizar o computador, apesar de impor algumas restriзхes, й extremamente eficiente para a maioria das aplicaзхes de um computador moderno. Provavelmente nгo existe forma melhor de realizar cбlculos matemбticos, editar textos, armazenar bancos de dados ou acessar a Internet; um computador de Von Neumann й a melhor mбquina para executar essas tarefas. Entretanto, para algumas бreas especiTicas, como a Inteligкncia Artificial por exemplo, talvez seja necessбrio um novo instrumento computac 20F 14 como a Inteligкncia Artificial por exemplo, talvez seja necessбrio um novo instrumento omputacional.
De fato, os programas de Inteligкncia Artificial mais avanзados do mundo estгo muito longe de alcanзar algo semelhante а inteligкncia humana. Entretanto, a culpa por nгo se conseguir uma inteligкncia artificial de alto nнvel nгo pode ser atribuнda somente ao hardware. O problema da IA pode ser tanto de software como de hardware. Nгo se pode afirmar que nгo existem programas ou mбquinas inteligentes porque os computadores atuais nгo tкm potкncia ou velocidade de processamento suficientes para suportar uma IA avanзada. O problema pode ser a nossa falta de conhecimento (ou riatividade) para elaborar os algoritmos necessбrios.
Assim, os processadores atuais podem ser atй mais que suficientes para executar uma inteligкncia artificial ao nнvel da inteligкncia humana; nуs й que nгo sabemos ainda como Implementar os algoritmos. por outro lado, a ausкncia desses algoritmos pode ser uma conseqькncia da falta de computadores suficientemente poderosos. O fato й que nгo sabemos onde estб o problema: no hardware, no software ou em ambos. 2. 1 . A Lei de Moore Uma das caracterнsticas mais famosas da informбtica й a chamada Lei de Moore. Essa lei afirma que a velocidade do computador й obrada a cada 18 meses.
Isso quer dizer que os computadores ficam duas vezes mais rбpidos a cada 1,5 ano. Essa lei й mantida desde o surgimento do primeiro PCI, em 1981. O primeiro microprocessador da Intel foi 0 4004, lanзado em 1971. Era um processador de 4 bits, com “apenas” 2300 transistores. Sua velocidade de operaзгo era de 30F 14 Era um processador de 4 bits, com “apenas” 2300 transistores. Sua velocidade de operaзгo era de 400 KHz (kilohertz, nгo megahertz). A tecnologia de fabricaзгo atingia uma densidade de IO mнcron. Atualmente, o processador mais avanзado da Intel й o Pentium 4 de 3. GHz.
Esse processador possui 42 milhхes de transistores; o chip й fabricado com tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Silicon) a uma escalada de 0,09 mнcron. Assim como toda a tecnologia, a CMOS possui um limite; especula-se que o Imite da CMOS seja de 0,05 micron (NIEMEIER 2001 Apesar de estarmos prуximos de atingir esse limite, eventualmente, outra tecnologia sucederб a CMOS. A candidata mais provбvel й a SiGe (Silнcio Germвnio). Projeзхes calculam que em 201 2 um microprocessador possuirб aproximadamente 101 0 transistores e atingirб velocidades da ordem de 10 a 15 GHz.
Mesmo que essa nova tecnologia, por sua vez, tambйm chegue ao seu limite e outra a suceda, eventualmente, chegar- se-б ao Imite atфmico. Nesse nнvel nгo serб mais fisicamente possнvel fabricar nada menor. Este й um ponto que vale a pena salientar, pois ele nos leva a uma das mais importantes conclusхes sobre a Computaзгo Digital. Desde o surgimento do primeiro computador digital, atй os dias de hoje, nunca houve uma revoluзгo significativa na computaзгo. O que aconteceu nos ъltimos 50 anos foi, na verdade, a simples evoluзгo da tecnologia.
Surgiram computadores menores e mais rбpidos. A tecnologia evoluiu das vбlvulas, para os transistores e, finalmente, para os microchips. De fato, foi uma evoluзгo PC й o nome do computador pessoal da IBM, do qual surgiram vбrios AGE 4 4 De fato, foi uma evoluзгo vбrios clones e, tambйm, do qual a maioria dos computadores de hoje em dia evolu[ram (ou seja, um Pentium consegue executar um programa escrito para o PC original). O primeiro clone do IBM PC foi feito pela Compaq. Entretanto, jб existam outros microcomputadores antes do PC.
O mais famoso й o Apple lanзado em 1978. Atualmente, a Apple fabrica os computadores Macintosh. O primeiro microcomputador do mundo foi o Altair 8800, da empresa MITS, lanзado em 1975. Esse computador utilizava o processador 8080 da Intel, de 8 bits. impressionante e a uma velocidade surpreendente. Entretanto, nunca surgiu um computador mais poderoso. Computacionalmente, tudo o que um Pentium faz, um XT jб fazia (XT era o nome de um dos primeiros computadores pessoais da IBM, equipado com o chip 8086; o IBM PC original vinha com 0 8088, uma versгo mais barata do 8086).
A informбtica evoluiu em termos de velocidade, mas nгo em termos de poder computacional. Em outras palavras, um Pentium faz cбlculos ais rбpidos, mas nгo faz nenhum cбlculo que um 8086 nгo faзa. Mais cedo ou mais tarde, a tecnologia digital atingirб seu limite. Chegar-se-б ao ponto em que nгo serб possнvel aumentar a velocidade dos processadores. Serб necessбria uma alteraзгo no computador em si, ou a descoberta de uma tecnologia totalmente nova. Para modificar o computador deve-se, no mнnimo, mudar a Arquitetura de Von Neumann.
Uma mudanзa de arquitetura implica na reorganizaзгo dos elementos de um computador de tal forma a melhorar a funcionalidade do computador; em ou 4 reorganizaзгo dos elementos de um computador de tal forma a elhorar a funcionalidade do computador; em outras palavras, removendo certas restriзхes que sгo implicitamente impostas pela arquitetura de Von Neumann. Existem vбrias propostas nгo convencionais de computaзгo sendo pesquisadas atualmente. Algumas envolvem atй a utilizaзгo de molйculas de DNA (бcido desoxirribonuclйico).
Entre as diversas alternativas ao computador digital, uma das mais interessantes e promissoras й o computador quвntico. A prуxima seзгo deste texto explica conceitos bбsicos sobre a computaзгo quвntica, descrevendo os mais importantes marcos dessa бrea do conhecimento. . COMPUTAЗГO QUВNTICA Em um computador quвntico a unidade bбsica de informaзгo й o qubit (quantum bit). Um qubit pode assumir os valores de 0 ou 1, assim como um bit (binary digit) convencional.
A diferenзa й que o qubit pode assumir ambos os valores de O ou 1 ao mesmo tempo! Й nessa propriedade particular que estб todo o poder computacional de um computador quвntico. Apesar de ser pouco intuitivo (especialmente em uma cultura digital, onde tudo й exatamente O ou 1) e atй mesmo contraditуrio com a fнsica clбssica, esse fenфmeno quвntico pode ser observado em laboratуrio, atravйs e uma experiкncia conhecida como “divisгo de raio”. 3. 1. Dividindo o Fуton Nessa experiкncia, uma fonte de luz й colocada em direзгo a uma lente.
Adicionalmente, dois sensores уticos (A e B) sгo posicionados de tal forma de detectem as duas possнveis trajetуrias do raio emitido pela fonte, conforme a figura abaixo. A fonte de luz emite um ъnico fуton por vez, vбrias vezes. 6 4 conforme a figura abaixo. A fonte de luz emite um ъnico fуton por vez, vбrias vezes. Sabe-se que um fуton й indivisнvel, ou seja, ele nгo pode ser particionado em duas unidades menores. Finalmente, a lente utilizada no experimento й tal que pode direcionar o fуton verticalmente, em direзгo ao sensor A, ou horizontalmente, em direзгo ao sensor B.
Dada a configuraзao do experimento, intuitivamente, espera- se que o fуton de luz emitido pela fonte seja refletido randomicamente pela lente e atinja um dos sensores уticos com a mesma probabilidade. De fato, esta experiкncia constata que o fуton й detectado em cada um dos sensores com a mesma probabilidade. Ou seja, em metade dos casos atinge o sensor A e, na outra metade, o sensor B. Atй agora, a fнsica clбssica concorda com a fнsica quвntica. Entretanto, a fнsica quвntica afirma que o fуton passa por ambas as trajetуrias simultaneamente, todas as vezes! ? aqui que a fнsica quвntica comeзa a diferenciar-se da fнsica clбssica e os conceitos ficam cada vez menos intuitivos. para verificar essa afirmaзгo й realizada uma nova experiкncia, onde dois espelhos e mais uma lente sгo acrescentados, conforme ilustrado na figura a seguir. A segunda lente utilizada й idкntica ? primeira e os espelhos sempre refletem a luz na mesma direзгo. Nesta experiкncia, como na anterior, emite-se apenas 1 ъnico fуton por vez, vбrias vezes. Entretanto, desta vez, verifica-se que apenas um dos sensores registra o fуton, todas as vezes.
Ou seja, a probabilidade de que o fуton atinja um dos sensores (A ou B) й de 100% enquanto a do outro й nula. A explicaзгo para esse fenфmeno 4 dos sensores (A ou B) й de 100% enquanto a do outro й nula. A explicaзгo para esse fenфmeno й que o fуton passa pelos dois caminhos possнveis simultaneamente, criando uma interferкncia no ponto de intersecзгo (a segunda lente), anulando a probabilidade do fуton alcanзar o outro sensor. Esse efeito й chamado de single- particle interference.
Em outras palavras, isso quer dizer que tudo o que pode acontecer, de fato, acontece. Mas como isso pode acontecer se na primeira experiкncia o fуton era detectado em ambos os sensores com a mesma probabilidade? Eles nгo deveriam atingir os dois sensores em todos os casos? A resposta da fнsica quвntica й que quando observamos o sistema todas as possibilidades colapsam em uma ъnica ocorrкncia em particular, que й a realidade tal qual a conhecemos (talvez seja dessa parte da fisica quвntica que autores de ficзгo cientнfica inspirem-se e imaginem universos paralelos! ). so quer dizer que o simples to de observar o sistema pode influenciб-lo, alterando o seu desfecho. Conforme serб explanado adiante, essa й uma das principais dificuldades em construir um computador quвntico. A ъnica forma de observar que o fуton percorre as duas trajetуrias ao mesmo tempo й atravйs da interferкncia causada pela intersecзгo dos dois estados possнveis do sistema. Se for colocado um obstбculo sobre uma das trajetуrias, conforme ilustrado pela figura a seguir, os sensores passam a registrar fуtons como na primeira experiкncia, ou seja, com probabilidade de 0,5.
Essa experiкncia demonstra o princнpio bбsico da computaзгo uвntica e o enorme potencial para processamento paralelo de 80F 14 Unable to process your request now. Please try again later! seguir, a tecnologia atual consegue construir computadores quвnticos de apenas 7 qubits. 3. 3. O Computador Quвntico da IBM O algoritmo de Shor й um marco da computaзгo quвntica porque ele foi o primeiro algoritmo a utilizar as funcionalidades particulares de um computador quвntico para otimizar a soluзгo de um problema. A publicaзгo do algoritmo de Shor desencadeou uma avalanche de novas pesquisas e experiкncias na computaзгo quвntica.
Em dezembro de 001, cientistas do Centro de Pesquisas da IBM em Almaden conseguiram construir um computador quвntico de 7 qubits. Nesse computador foi implementado o algoritmo Shor, que conseguiu realizar corretamente a fatoraзao do nъmero 15. Obviamente, esse computador nгo consegue quebrar nenhum sistema de criptografia. A importвncia desse experimento й que ele comprova a viabilidade da computaзгo quвntica. As principais dificuldades enfrentadas nesse primeiro momento sгo mais tecnolуgicas do que teуricas, como a alta incidкncia de erros nos computadores quвnticos construнdos atй agora.
O computador uвntico da IBM foi implementado atravйs de uma molйcula com 7 spins: o nъcleo da molйcula era constitu[do por 5 бtomos de fluorina e 2 бtomos de carbono. A programaзгo do computador й feita atravйs de pulsos de rбdio-freqькncia. A leitura dos resultados й feita por ressonвncia magnйtica nuclear (RMN), a mesma tecnologia dos aparelhos de tomografia computadorizada de hospitais. A operaзгo do computador exige temperaturas baixas, a fim de reduzir a incidкncia de erros. 3. 4. Tecnologias Alйm da tecnologia de Quantum Spins, tambйm existem propostas de um Autфmato Celular Q 0 DF 14