Fyzikální základy výpočetní techniky

Výpočetní technika není pouze softwarovou záležitostí; je hluboce zakořeněna ve fyzikálních zákonech. Aby mohl počítač zpracovávat informace, musí je reprezentovat pomocí fyzikálních stavů (napětí, magnetická orientace, světelný puls).

Základem všech moderních procesorů a pamětí je křemík (polovodič). Jeho schopnost měnit svou elektrickou vodivost pomocí tzv. dotování (přidávání příměsí) umožnila vznik tranzistoru.

• Tranzistor jako spínač: Základní stavební prvek (MOSFET). Funguje jako elektronicky ovládaný ventil, který buď propouští proud (logická 1), nebo ne (logická 0).
• P-N přechod: Rozhraní mezi dvěma typy polovodičů, které umožňuje jednosměrný tok proudu.

Informace musí být v hardwaru uložena pomocí energetických hladin:

• Elektrický náboj: V pamětech RAM (kondenzátory) a Flash discích (plovoucí hradla tranzistorů).
• Magnetismus: Orientace magnetických domén na plotnách pevných disků (HDD).
• Světlo: Přítomnost nebo absence odrazu v optických vláknech nebo na CD/DVD.

Fyzika klade výpočetní technice jasné limity prostřednictvím tepla. Každé přepnutí tranzistoru vyžaduje energii a část této energie se přemění na teplo (Jouleovo teplo).

• TDP (Thermal Design Power): Maximální množství tepla, které musí chladicí systém odvést.
• Landauerův princip: Teoretický limit minimální energie potřebné k vymazání jednoho bitu informace.

S neustálým zmenšováním tranzistorů (dnes v řádech jednotek nanometrů) naráží klasická fyzika na své hranice:

• Kvantové tunelování: Elektrony mohou „přeskočit“ izolant, i když by podle klasické fyziky neměly. To způsobuje chyby a zahřívání.
• Kvantové počítače: Namísto boje s kvantovými jevy je využívají k výpočtům pomocí qubitů (využívají jevy superpozice a provázání).

Data se mezi komponentami přenášejí jako elektromagnetické vlny po měděných spojích na základní desce.

• Rychlost světla: Limituje maximální frekvenci procesorů a odezvu sítí.
• Elektromagnetické rušení (EMI): Rychle se měnící proudy v jednom vodiči mohou indukovat nežádoucí proudy v okolních spojích.

Související články:

• Procesor (CPU)
• Operační paměť (RAM)
• Transdukce: Převod energie

Tagy: physics semiconductors hardware electronics thermodynamics quantum_mechanics