Come costruire il computer del futuro. Antonello Scardicchio (ICTP, Trieste)

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1 Come costruire il computer del futuro Antonello Scardicchio (ICTP, Trieste)

2 Sommario Il calcolo automatizzato Macchine di Turing Dai computer a valvole al transistor Dall elettronica alla meccanica quantistica

3 Lo speaker Laurea 2001, Universita di Bari PhD 2006, Massachusetts Institute of Technology Princeton University 2009-oggi ICTP, Trieste

4 Cosa vuol dire calcolare? Calcolare: determinare una quantita seguendo regole matematiche Alcuni calcoli si possono automatizzare, cioe farli fare a macchine invece che a persone La Pascalina, creata da Blaise Pascal nel 1642, faceva somme, sottrazioni moltiplicazioni e divisioni

5 Il calcolo automatico Nel Input Output La macchina risolve un problema senza intervento umano Utilizzando un gioco di ruote dentate

6 Il calcolo automatico Esistono macchine, anche precedenti,per risolvere compiti specifici Es. il sestante per determinare la posizione degli astri e/o la latitudine dell osservatore o il regolo calcolatore per eseguire operazioni Ma e possibile che esista una macchina universale?

7 Il calcolo automatico Agli inizi del 900 vari matematici pensarono seriamente a cosa vuol dire calcolare e provare un teorema e svilupparono interessanti risultati K.Godel A.Turing J.Von Neumann A.Church

8 Il calcolo automatico Alan Turing e una figura prominente in questa storia

9 Il calcolo automatico Macchina di Turing Stato interno della macchina Turing teorizza una macchina in grado di risolvere qualunque problema algoritmico Testina lettura/ scrittura bit Nastro

10 Il calcolo automatico Alan Turing pose le basi teoriche per la costruzione di calcolatori universali Per fare cio diparti da un modello meccanico e teorizzo un nuovo modello di calcolatore, per realizzare il quale era necessario controllare altri fenomeni fisici La matematica in questo caso ha bisogno della fisica

11 I primi calcolatori a valvole E la fisica qualche anno prima ha trovato proprio quello che ci vuole: I primi componenti elettronici Valvola termoionica permette alla corrente di girare solo in un determinato senso all interno di un circuito elettrico: e il primo componente elettronico non lineare

12 I primi calcolatori a valvole Tramite le valvole e possibile controllare i livelli di voltaggio nel circuito V Due livelli di voltaggio: bit t

13 I primi calcolatori a valvole Manipolando appropriatamente i due livelli di voltaggio si puo creare una macchina di Turing universale ENIAC computer (1948) Programmatrici

14 I primi calcolatori a valvole L'ENIAC impiegava valvole termoioniche, collegate da contatti saldati manualmente, relè e dissipava in calore una potenza termica di circa 200 kw. Ciò creava seri problemi di affidabilità perché il grande calore generato faceva bruciare le valvole con la frequenza di una ogni 2 minuti. Lo stress termico era maggiore soprattutto durante le fasi di accensione e di spegnimento del calcolatore, per cui venne deciso di lasciarlo sempre in funzione. Questo provvedimento, insieme all'adozione di valvole più affidabili a partire dal 1948, fece ridurre la frequenza di rotture ad una media di una ogni due giorni, con un periodo massimo di 116 ore ininterrotte nel Si calcola che, nel periodo in cui l'eniac è stato in funzione, abbia richiesto la sostituzione di valvole termoioniche. (da Wikipedia)

15 Il transistor Siccome le valvole costavano e si rompevano spesso, ed i computer occupavano stanze intere il prossimo passo fu quello di cercare di ridurne la dimensione ed aumentarne l affidabilita Per fare cio si dovette inventare una nuova tecnologia: il transistor a semiconduttore Bardeen, Brattain, Schockley (1948)

16 Il transistor Siccome le valvole costavano e si rompevano spesso, ed i computer occupavano stanze intere il prossimo passo fu quello di cercare di ridurne la dimensione ed aumentarne l affidabilita Per fare cio si dovette inventare una nuova tecnologia: il transistor a semiconduttore Bardeen, Brattain, Schockley (1948)

17 Il transistor Il transistor sebbene si basi su un fenomeno fisico completamente differente dalla valvola termoionica, viene usato praticamente nello stesso modo Controllando il voltaggio in un circuito possono essere usati per svolgere calcoli V t

18 Il transistor I transistor possono essere miniaturizzati In questo Intel core i7 ci sono circa 1,000,000,000 di transistors

19 Computer moderni La miniaturizzazione e la riduzione dei costi dei computer ha plasmato la societa moderna L elenco delle applicazioni dei computer e illimitato ma alcuni compiti, sebbene algoritmici, risultano tutt ora fuori dalla portata di moderni computers Ci servono computer sempre piu potenti

20 Computer moderni Crittografia Progettazione: idrodinamica Ricerca: chimica, farmaceutica Sono tutti compiti difficili anche per i computer Ricerca: fisica moderni!

21 Il computer del futuro Transistor e valvole sono molto diversi ma fanno essenzialmente la stessa cosa: manipolano il voltaggio elettrico all interno di un circuito elettrico Ma chi ha detto che questo e il modo piu efficace per fare di conto? E se guardassimo a qualcosa di completamente diverso?

22 Il computer del futuro Un indizio su quale fenomeno fisico utilizzare viene dalla seguente osservazione Nel mondo microscopico i fenomeni seguono le leggi della meccanica quantistica Vogliamo descrivere una molecola complessa, diciamo che ha N=100 livelli energetici e M=40 elettroni Tale molecola e descritta da un vettore (funzione d onda) con 13,746,234,145,802,811,501,267,369,720 componenti

23 Il computer del futuro Se volessimo anche solo scrivere un tale vettore su un computer ci servirebbe una memoria RAM di circa 800,000,000 GB Che e piu o meno la memoria di tutti i telefonini del mondo o di tutti i PC in Italia Capite quindi che e un problema complicato anche nel 2015

24 La meccanica quantistica Da dove viene questa complessita? Viene dal fatto che nel mondo microscopico succedono cose strane... Un elettrone puo stare con una certa probabilita in ognuno di questi livelli =( 1, 2, 3, 4 ) =1 Vettore delle ampiezze di probabilita Descrizione classica: 2 bit

25 La meccanica quantistica Bisogna tenere conto del fatto che un elettrone puo essere in una sovrapposizione di stati ovvero mai con certezza in un dato stato della molecola R.Feynman Ma forse questo problema puo essere in realta una risorsa! Se riuscissimo a controllare sistemi microscopici anche di complessita contenute potremmo costruire dei computer potentissimi!

26 La meccanica quantistica La meccanica quantistica ci apre le porte di una nuova era computazionale Possiamo pensare a macchine di Turing che agiscono secondo le leggi della meccanica quantistica e che, invece di operare su nastri (memoria RAM) operano direttamente su funzioni d onda di sistemi fisici

27 Il computer quantistico Macchina di Turing quantistica Stato interno della macchina Una macchina in grado di operare su funzioni d onda Testina lettura/ scrittura =( 000, 001, 010,..., 111 ) quantum bit

28 Il computer quantistico Non abbiamo ancora realizzato un computer quantistico pero sappiamo che, una volta realizzato, sara piu efficiente in molti compiti I 100 livelli potranno essere studiati con 100 qubit, e non 800,000,000 GB Potremo studiare con piu successo la struttura della materia a distanze microscopiche

29 Il computer quantistico Crittografia Codici crittografici potranno essere decrittati con facilita P. Shor (MIT) ha dimostrato che un computer quantistico puo risolvere un particolare problema (fattorizzazione di numeri interi) molto piu velocemente di un computer classico La fattorizzazione e alla base dei codici crittografici a chiave pubblica piu usati

30 Il computer quantistico Ora non ci rimane altro da fare che costruirlo! I primi tentativi sono incoraggianti ma sono ancora lontani dall obiettivo L investimento in ricerca su questi argomenti sta aumentando giorno dopo giorno

31 Il computer quantistico Chi sara il primo a costruire un quantum computer? Come cambiera la nostra societa? Cosa succedera all intelligenza artificiale? Tenetelo a mente: questa e una delle grandi sfide del nostro tempo e i protagonisti potrebbero essere tra di voi