ميكانيكا الكم في الحوسبة الكلاسيكية
الكمبيوتر الكلاسيكي
كيف يعمل الحاسوب ؟! ربما سألت نفسك هذا مرات عديدة! إذا لم يكن الأمر كذلك ، فسنرى اليوم كيف يعمل الكمبيوتر التقليدي (الكمبيوتر الكلاسيكي). وبعد ذلك سنقوم بموازاة عمليتها مع الفيزياء.
لأنها ليست مفاجأة بالنسبة لا أحد لا يعمل الكمبيوتر بدون كهرباء. هذه هي النقطة الرئيسية لكل الحوسبة والتيار الكهربائي والدوائر وبالتالي نحن متحرك مع الإلكترونات! نعم ستظهر هذه المباركة مرة أخرى في منطقتنا موضوع لول
عادةً ما تحتوي بنية الكمبيوتر المشترك ، وخاصة ما يسمى بـ "أجهزة الكمبيوتر المكتبية" (أجهزة الكمبيوتر المكتبية) ، على العلبة والشاشة ولوحات المفاتيح والماوس ، كما هو موضح أدناه:
ما نريد استكشافه بمزيد من التفصيل سيكون في عنصر تسمى "Cabinet" ، حيث يتم ترجمة وحدة المعالجة المركزية (CPU) من اللغة الإنجليزية وتعني (وحدة المعالجة المركزية) ، أي مكان وجود المعالج. وما هو المعالج ؟؟ المعالج هو واحد من عناصر أهم جوانب الكمبيوتر ، بدونه لن تفعل شيئًا ، مجرد قطعة من المعدن أمامك.
يمكننا أن نرى المعالج على أنه "دماغ" الكمبيوتر ، فهو مسؤول عن معالجة أي وجميع أنواع المعلومات اللازمة بناءً على طلب المستخدم ، من النقر فوق المفتاح ، وتحريك الماوس فوق الطاولة ، إلى تشكيل الصورة على شاشتك ، كل شيء أن المعالج هو المسؤول عن القيام بذلك في جزء من الثانية و مللي ثانية . مثال رائع بالنسبة دعنا نرى الفيديو أدناه:
ها ها ها ها! بطريقة مرحة للغاية ، نعم المعالج يفعل كل شيء! كل شيء لجعل الأشياء تعمل داخل الكمبيوتر.
السؤال هو كيف يفعل ذلك؟ المعالج ليس أكثر من آلة حاسبة! والسرعة التي يقوم بها بإجراء هذه الحسابات مرتبطة بـ مسمى "الساعة" التي يمكننا ترجمتها حرفيًا على أنها "عداد / عد".
لذلك إذا ذهبت لشراء جهاز كمبيوتر من متجر وقراءته أو أخبرك مندوب المبيعات أن معالج هذا الكمبيوتر هو 1.2 جيجاهرتز أو 2.5 جيجاهرتز ، فإن ما يقوله في الواقع هو قدرة هذا المعالج على إجراء العمليات الحسابية ، في حالات أخرى الكلمات ، 1.2 جيجاهرتز = 1200000000 ، أي 1 مليار و 200 مليون عملية حسابية في الثانية) ، أو 2.5 جيجاهرتز (2 مليار و 500 مليون عملية حسابية في الثانية) كلما زاد الرقم بالهرتز (Hertz) زادت سرعة الحساب للمعالج ، وبالتالي آلة سريعة جدًا لأداء المهام.
أوه لا بد أنك تتساءل ... "هل المعالج آلة حاسبة؟ لكن هاه؟!؟ ". هذا صحيح! الاختلاف هو أن المعالج يقوم بعملية حسابية مختلفة عما تتخيله على الأرجح. لقد تم تصميمه بالنسبة قم بما يسمى بالحسابات الثنائية ، أي أنها تحسب تسلسلًا رقميًا من 0 و 1 (الأصفار والآحاد). مثله؟!
كل وظيفة أو إجراء نقوم به على جهاز الكمبيوتر الخاص بنا ، أو الهاتف المحمول ، أو الأجهزة اللوحية ، وكل شيء يتضمن معالجًا ، سيكون هناك الحسابات الثنائية ، وطريقة عملها كما يلي.
لنفترض أننا نريد كتابة نص على أجهزتنا ، عندما نضغط على مفتاح أو نحرك الماوس ، مهما كان الإجراء ، يتم تمرير هذه المعلومات على أنها تسلسل عددي للمعالج على شكل تيار كهربائي في أجزاء من الثواني ، فعند وجود تيار يفسره المعالج على أنه 1 (واحد) وعندما لا يكون هناك فإنه يفسره على أنه 0 (صفر).
لذلك ، على سبيل المثال ، نضغط على الحرف A على لوحة المفاتيح ، وبما أنه لا يوجد شيء على الكمبيوتر لا يعمل بدون برنامج (برنامج) بشكل أساسي البرنامج الأساسي لجعل كل شيء يعمل والتوسط تفاعل المعالج مع المستخدم وهو OS (نظام التشغيل) ، فهو موجود بالفعل في أنه عند الضغط على A ، سيكون التسلسل الرقمي الذي يجب إنشاؤه للمعالج على سبيل المثال: 01101001
هذا ليس له معنى واضح بالنسبة لنا ، لكنه كذلك بالنسبة للمعالج! هذا بالضبط ما يفعله البرنامج ، فهو يأخذ إجراءً أو أمرًا منا ويرسله إلى المعالج ، وهذا التسلسل للأرقام المتناوبة من 0 و 1 كما ذكرنا سابقًا على سبيل المثال ، سوف يفهم المعالج على أنه A ، وفي غضون أجزاء من الثانية يقوم بإجراء العمليات الحسابية وسيعود إلى البرنامج النصي (Word ، Notepad ، إلخ) الذي كان الإجراء الذي قام به المستخدم (أنت) هو اضغط على الحرف أ.
نعم! أعتقد مع هذا المثال الذي قدمته بالفعل بالنسبة تخيل التعقيد و أهمية من المعالج في الإلكترونيات. لكن النية هنا ليست أنت فعل فهم بالتفصيل كيف يعمل الكمبيوتر ، في الواقع ليس المعالج فقط هو الذي يفعل كل هذا ، هناك بالطبع العديد من المكونات الأخرى التي تتوسط كل هذا التعقيد الذي تقوم به أجهزتنا ، دون الحاجة إلى القلق بشأن كل ما يحدث داخل هذه الهياكل المعدنية والبلاستيك لول. كالعادة ، سيكون هناك مقطع فيديو يشرح ماهية الشفرة الثنائية ، بدافع الفضول! ستكون هناك أيضًا بعض المعلومات المثيرة للاهتمام التي تم حذفها في الشرح هنا ، لذا ترقبوا :)
نعم! لطيف - جيد! ولكن ما علاقة ميكانيكا الكم بها؟ كما تدرس الكهرومغناطيسية التيارات والدوائر والإلكترونات. ألن تكون هذه النظرية وحدها قادرة على إنشاء معالج؟ الجواب البسيط والقصير هو لا!
تدخل ميكانيكا الكم بالفعل السؤال الأساسي المتمثل في إنشاء أي نوع من المواد الإلكترونية ، المادة التي يتم تصنيعها. إنها ليست مجرد لوحة توضع لتوصيل الأسلاك وتسبب التحميلات الكهربائية ، هي مادة معينة لا تكون فيها موصلًا ولا عازلًا ، فهي عبارة عن أشباه موصلات. ليس فقط المادة نفسها ، ولكن حتى هندسة المكونات وشكلها يتم هندستها ذريًا للأفضل كفاءة المعالجة. لكي نفهم بشكل أفضل بصريا ماذا نفسر لدينا الفيديو التالي: OBS - تفعيل الترجمة!
الآن بفهم الأداء الأساسي للكمبيوتر ، تمكنا من المضي قدمًا في موضوع مشابه ، ولكن كالمعتاد بقواعد مختلفة ومفهوم جديد سنتعامل معه في الموضوع التالي.
النقطة المهمة هي أنه مع تقدم المعرفة العلمية ، فقد تأثر كل ما لدينا من حولنا اليوم بهذه الاكتشافات الجديدة. فيما يتعلق بالحوسبة التي ليست من وقت ما قبل 2000s ، ربما ليس لديك أي فكرة عن كيفية استخدام القرص المرن ، شريط كاسيت ، من بين أمور أخرى. الحلي كان علينا تخزين المعلومات ومعالجتها مقارنة بما لدينا اليوم.
من الواضح أنه بمرور السنين زادت قدرة الآلات من حولنا بشكل كبير في القوة وأصبحوا أصغر وأصغر في حجمها المادي ، كما هو متوقع بالفعل من قبل جوردون إيرل مور ، أحد مؤسسي شركة المعالجات Intel. حيث أنشأ قانونًا باسمه ، قانون مور.
لقد أصبح قانون مور مهمًا جدًا لدرجة أنه لا يستخدم فقط كهدف يجب متابعته والتغلب عليه كل عام ، ولكن أيضًا كوسيلة للتحقق من أن الصناعة تتطور بالسرعة المتوقعة. على الرغم من أن مور كان محقًا جدًا في تنبؤاته ، إلا أن الجميع يعلم ، بما في ذلك نفسه ، أن هذا النمو لن يستمر إلى الأبد. الترانزستورات اليوم في نطاق 25 نانومتر. هذا هو نفس مقياس بعض الفيروسات والبكتيريا.
الحد من أكثر من ذلك أصبح أكثر صعوبة. يبحث الباحثون والعلماء عن طرق أخرى لجعل أجهزة الكمبيوتر تتطور بسرعة وتقليل حجمها. يفكر البعض في استبدال ترانزستورات السيليكون بمواد أخرى ، مثل الجرافين.
أحد البدائل التي كان العلماء في المنطقة يفكرون فيها لمستقبل الحوسبة هو الكمبيوتر الكمومي الذي سنتحدث عنه في الموضوع التالي وأجهزة الكمبيوتر الحيوية.