…da von Neumann al
computer quantistico
architettura dell’elaboratore
Come funziona un computer ?
• Input: inserimento dei dati
• Elaborazione (?)
• Output: risultato
La macchina analitica di Babbage
(1837)
Ideata (ma, forse, mai realizzata)
dal matematico Charles Babbage
per risolvere problemi generali
di calcolo. Aveva una architettura
molto simile ai moderni elaboratori.
Era formata da: un “magazzino” (store/memoria);
un mulino (mill/unità di elaborazione) e un lettore
di schede perforate (dispositivo di input). Le schede
perforate venivano utilizzate già dai primi dell’ottocento
nei telai Jacquard, dove i fori rappresentavano i punti in
cui l’ago avrebbe attraversato la stoffa per la
realizzazione del disegno.
Boole e l’algebra di…(1847)
ovvero come la logica filosofica diventa
matematica
“L’analisi matematica della logica”
• p è vera = 1
• p è falsa = 0
• negazione non (p) = 1 – p
• congiunzione p1 e p2 = p1 . p2
• disgiunzione p1 o p2 = p1 + p2
La logica proposizionale viene ridotta ad un
semplice calcolo … ma quanto fa 1 + 1 = ?
Il teorema di incompletezza di
Godel (1931)
In ogni formalizzazione coerente della
matematica che sia sufficientemente potente da
poter assiomatizzare la teoria elementare dei
numeri naturali — vale a dire, sufficientemente
potente da definire la struttura dei numeri
naturali dotati delle operazioni di somma e
prodotto — è possibile costruire una
proposizione sintatticamente corretta che non
può essere né dimostrata né confutata all'interno
dello stesso sistema (1° teorema di Godel)
Il problema della fermata
Touring allo stesso modo si chiese se
esistesse un algoritmo in grado di
decidere se, data una funzione
computabile, questa si arresta oppure no.
In poche parole data f e dato x, esiste un
algoritmo che è in grado di dirci se dopo
un numero finito di passi otteniamo f(x) ?
La macchina di Turing (1936)
• un sistema di memorizzazione
• un dispositivo di lettura
e di scrittura di tali dat
• un meccanismo di controllo per stabilire le
azioni da intraprendere
Funzionamento della MT
• Il sistema di memorizzazione è immaginato
come un nastro virtualmente infinito suddiviso in
celle
• Il dispositivo di scrittura e lettura è una testina
che può spostarsi sulle singole celle in entrambe
le direzioni e può scrivere, cancellare o sostituire
nella cella su cui è posizionata dei simboli di un
alfabeto
• La macchina può assumere un numero di “stati”
finito. Lo stato in cui si trova la macchina in un
dato istante dipende dagli eventi precedenti del
processo di calcolo
Operazioni di una MT
Ogni operazione può essere scomposta in un numero finito
delle seguenti operazioni:
• Sostituzione del simbolo osservato con un altro simbolo
• Spostamento della testina su una delle celle
immediatamente attigue al nastro
• Cambiamento dello stato interno della macchina
La macchina universale di Turing
è una macchina che riesce ad eseguire tutti i programmi
eseguibili da una qualsiasi macchina di Turing. Cessa di
essere una macchina specificatamente dedicata a
svolgere una operazione e diventa universalmente
programmabile. Non appena la macchina raggiunge una
massa critica, che le permette di decodificare istruzioni
codificate numericamente e simularle passo passo, essa
diventa in grado di eseguire qualunque compito
codificabile da un insieme finito di istruzioni. Questo
avviene se la macchina è in grado di eseguire le
operazioni fondamentali, cioè le leggi della logica
elementare.
Arriva l’elettronica (1938)
Shannon tradusse l’algebra di Boole in termini di circuiti
elettrici:
• 1 viene identificato con il passaggio di corrente elettrica
attraverso un filo
• 0 viene identificato dall’assenza di corrente
La negazione e la congiunzione corrispondono ad interruttori
che:
• fanno passare la corrente solo se arriva da entrambi i fili
(congiunzione)
• fanno passare la corrente se arriva da uno dei fili
(disgiunzione)
• accendono la luce se è spenta, la spengono se è accesa
(negazione)
AND
OR
NOT
Già dai primi anni dell’800 esistevano
macchine in grado di eseguire
istruzioni autonomamente grazie
all’uso di schede perforate.
Lo sviluppo tecnologico in campo
elettronico portò, all’inizio dello scorso
secolo, alla creazione di macchine
programmabili, cioè in grado di
eseguire di volta in volta differenti
funzioni.
Questi antenati del computer potevano eseguire compiti differenti, ma
per cambiare la loro funzione necessitavano di tecnici che praticamente
agissero sulla macchina, spostando ad esempio cavi.
Nel 1946 viene completato il primo elaboratore fondato sull’ idea di “programma
memorizzato” del matematico ungherese John Von Neumann.
Questo tipo di macchina contiene tutte le istruzioni operative, immagazzinate
sotto forma di impulsi elettronici e che possono venir modificate senza dover
operare fisicamente sull’elaboratore.
…e finalmente von Neumann
(1946)
Input
Cpu
Memoria
Bus
Output
Input/Output
Questi dispositivi hanno il compito
di gestire l’interazione fra l’utente
e il computer.
L’input converte un segnale che
riceve dall’esterno in una
successione di bit (cioè di zero o
uno), permettendo così al
computer di operare su quanto
ricevuto.
L’output esegue l’operazione
inversa: trasforma cioè il codice
binario in un segnale
comprensibile all’utente.
La memoria
La memoria è dove si conservano i dati che sono necessari al computer. Essa
è composta principalmente da due parti:
ROM (Read Only Memory)
E’ una memoria permanente sulla
quale si può agire solamente
leggendo i dati che vi sono
conservati. In essa sono
contenute le operazioni
fondamentali necessarie per
l’avvio e l’uso del computer.
RAM (Random Access Memory)
E’ una memoria temporanea, sulla
quale possiamo scrivere e leggere
dati, che però verranno persi allo
spegnimento del computer. Viene
usata per salvare dati utilizzati
durante un elaborazione, ma che
possono poi essere cancellati.
Possiamo considerare la memoria come una serie di caselle ciascuna
contente un dato (espresso come serie di bit) e individuata da un preciso
indirizzo.
La Cpu
La Cpu è il “cervello” del computer, dove cioè vengono analizzate ed elaborate le
informazioni.
E’ composta da due elementi principali: il primo,detto Control Unit (Cu), decide
quali siano le operazioni e i programmi da eseguire mentre il secondo, detto
Algebric Logic Unit (Alu), esegue le operazioni algebriche e logiche.
La cpu opera usando le indicazioni e i dati salvati in memoria che richiama
attraverso un indirizzo preciso.
In generale il funzionamento può essere riassunto così: la cpu prende un'istruzione
dalla memoria, in base a quanto richiesto dall'istruzione ricerca in memoria i dati
necessari, esegue le operazioni e produce il risultato, salva il risultato in memoria o
lo manda all'output.
Il processore esegue le operazioni in modo sequenziale: inizia l'operazione
successiva solo al compimento di quella attualmente in corso.
Il ritmo con cui la cpu lavora dipende da un segnale periodico, detto clock, ad ogni
"scatto" del clock (o gruppo si scatti) il processore esegue una nuova operazione.
Il bus
Il bus è lo strumento che permette il collegamento fra gli elementi precedenti,
gestisce il passaggio di informazioni all’interno del computer.
La velocità massima con la quale una macchina può operare dipende
notevolmente dall’efficienza del Bus: la frequenza di clock con la quale
lavora la cpu deve essere compatibile con il tempo necessario a trasmettere
l’informazione.
ROM
Input
Cu
Output
Alu
RAM
Bus
Limiti del modello di Von Neumann
• Collo di bottiglia.
La cpu lavora in modo sequenziale, non può agire contemporaneamente su
più cose. Operazioni che potrebbero essere risolte nello stesso momento
devono essere processate in sequenza, si crea quindi una coda di “attesa”
che rallenta i processi di calcolo.
• Tempi di elaborazione.
Nonostante l’evoluzione tecnologica che ha portato il computer a lavorare a
velocità altissime, esistono ancora algoritmi teoricamente risolubili che però
non lo sono praticamente. Questa contraddizione dipende dal fatto che i
tempi necessari alla loro risoluzione sono troppo grandi.
• Funzioni casuali?
I valori “casuali” forniti dal computer derivano da un algoritmo che parte da
un numero detto seed, che viene scelto in maniera deterministica.
Cosa ci riserva il futuro ?
• Abbiamo assistito negli ultimi anni ad una
crescita della velocità di calcolo, della
quantità di memoria disponibile, alla
riduzione dei componenti utilizzati, ma la
logica che c’è dietro il funzionamento di un
computer è sostanzialmente la stessa di
sessant’anni fa, e cioè quella di essere in
grado di calcolare le funzioni calcolabili…
ma i limiti fisici dei circuiti integrati
comincia a farsi sentire.
Il computer quantistico
• L’utilizzo di componenti sempre più piccoli porta a dover
fare i conti non più sul comportamento della materia, ma
su come si comportano aggregati di singoli atomi. Di
conseguenza la descrizione del loro funzionamento deve
essere formulata in termini quantistici. Partendo dal fatto
che gli atomi possono trovarsi soltanto in stati di energia
discreti: un atomo quando passa da uno stato di energia
ad un altro, assorbe ed emette energia in quantità fisse
(quanti). Quindi, un atomo potrebbe codificare uno 0
nello stato elettronico fondamentale e un 1 in uno stato
eccitato (con un fascio laser).
Vantaggi…
• Generazione di numeri effettivamente
casuali: con una giusta quantità di energia
l'elettrone può anche permanere in uno stato
intermedio, ma nel momento in cui si va a fare la
misura ("guardiamo in che stato è"), l'elettrone
finisce in uno dei sue stati possibili,1 o 0, con la
stessa probabilità di ½.
• Velocità: un computer quantistico eseguirebbe
tutti i calcoli possibili in una sola volta
(parallelismo quantistico). Ciò potrebbe essere
sfruttato per scomporre rapidamente numeri
molto grandi.
… e problemi realizzativi
• La natura stessa degli atomi: considerando
che per realizzare un computer che possa
competere con un computer tradizionale gli
atomi in gioco sono migliaia (o milioni), basta
disturbare anche uno solo per compromettere la
coerenza quantistica del sistema
• Correzione degli errori: attualmente vengono
utilizzati sistemi che richiedono la misurazione
del bit, in un calcolatore quantistico porterebbe a
perdita di coerenza
conclusioni
• Computer ad enzimi
• Computer molecolari
• Computer quantistici
…ma la logica legata alla trasmissione
dell’informazione è sempre la stessa:
quella immaginata da Turing
note
• http://ironphoenix.org/tril/tm/
• Le scienze: quaderni n. 121 settembre
2001
• Frixione – Palladino: Funzioni, macchine,
algoritmi – Carocci editore
• Wikipedia
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