sciEncE

[알림판목록 I] [알림판목록 II] [글목록][이 전][다 음]
[ sciEncE ] in KIDS
글 쓴 이(By): Convex (4ever 0~)
날 짜 (Date): 2000년 9월  5일 화요일 오후 10시 58분 01초
제 목(Title): The Ultimate Laptop: A Black Hole 


NYT 기사

The Ultimate Laptop: A Black Hole
By GEORGE JOHNSON
   

For all the corporate enthusiasm over the unveiling of each new generation of 
computer chip (last month Intel announced that its Pentium 4 would be packed 
with 42 million transistors performing as many as 8.4 billion operations per 
second), consumers may be more apt to feel a sense of dread. Once again the 
expensive desktop computers and laptops they were so proud of have become 
outmoded, destined to join the scrap piles of unsalable equipment 
accumulating in closets everywhere. 

Moore's law, which holds that computing power doubles approximately every 18 
months, sometimes seems less a blessing than a curse. But the law cannot hold 
forever, and Dr. Seth Lloyd, an associate professor of mechanical engineering 
at the Massachusetts Institute of Technology, offers hope that the end is in 
sight. 

In a paper in the current issue of Nature, Dr. Lloyd describes the ultimate 
laptop -- a computer as powerful as the laws of physics will allow. So 
energetic is this imaginary machine that using it would be like harnessing a 
thermonuclear reaction. In the most extreme version of this computer supreme, 
so much computational circuitry would be packed into so small a space that 
the whole thing would collapse and form a tiny black hole, an object so dense 
that not even light can escape its gravity. 

If that sounds like a rather dangerous device to hold on one's lap -- 
"Opening the lid," Dr. Lloyd warns, "voids the warranty" -- there is a 
serious purpose to his theoretical tour de force: to plumb the absolute 
limits nature sets on computation. 

Nothing like Lloyd's Ultimate Laptop is likely to roll off the assembly line 
at some future Apple or I.B.M. 

But his effort, part of a relatively new discipline called the physics of 
information, gives computer engineers an ideal to aim for. More importantly, 
this exercise in extreme computer science may help deepen the understanding 
of the connections between physics and information, and explore the notion, 
popular among some theorists, that the very processes of nature can be 
thought of as computations. 

"Work like this exemplifies a fruitful new convergence of theoretical 
physics, computer science and mathematics," said Gregory Chaitin, a 
researcher at the I.B.M. 

Thomas J. Watson Research Center in Yorktown Heights, N.Y., whose specialties 
include the mathematics of information. 

"Interdisciplinary research of this kind would have been unthinkable a few 
years ago." 

Named for its inventor, Gordon Moore, a founder of Intel, Moore's law has 
continued to hold true because of the dexterity with which engineers have 
been able to inscribe smaller and smaller circuitry onto silicon computer 
chips. As the components of the circuits are squeezed closer together, they 
can exchange information at faster speeds. 

"People have been predicting the demise of Moore's law pretty much since it 
was posited in the early 60's because some manufacturing technology was about 
to run out," Dr. Lloyd said. "But Moore's law is a law of human ingenuity 
rather than of nature. Predictions of its demise have been wrong because 
people are ingenious." 

The vanishingly tiny components on a chip are like switches that can be in 
two positions, either on or off -- representing a bit of information, 1 or 0. 
Minuscule as they seem, each of these devices is typically made of about a 
billion atoms. But laboratories are already experimenting with computers in 
which a bit is stored by a single atom that can spin clockwise for 1 or 
counterclockwise for 0. And who is to say that the grain could not someday be 
even finer with subatomic particles like quarks or gluons or even the 
hypothetical superstrings harnessed to encode and manipulate information? 

But ultimately the limits of nature must prevail. "If we believe the laws of 
physics," Dr. Lloyd said, "then the fundamental constants of nature should 
tell us where Moore's law absolutely has to end, where we can't miniaturize 
any further." 

Dr. Lloyd approached the problem like a consumer in the market for a new 
laptop. "If you're going out to buy a computer," he said, "you have two basic 
questions: how fast is it and how much memory space does it have?" Those are 
the ingredients of computing power. He assumed that his laptop would have 
about the same dimensions as a contemporary one, weighing a kilogram, 2.2 
pounds, and occupying one liter of space. 

First he set out to determine how fast his ultimate laptop could compute. The 
limiting factor is energy: the faster a computer runs, the more voracious its 
appetite. So what would be the maximum possible energy available to a 
portable machine? 

One could speculate endlessly on the future of battery technology. Seeking a 
more fundamental answer, Dr. Lloyd looked to Einstein's special theory of 
relativity. 

If every particle of the laptop's kilogram of mass is converted into energy 
according to the equation E=mc2 , the answer is 8.9874 x 1016 joules -- or in 
more familiar terms, 25 million megawatt-hours, the amount of energy produced 
by all the world's nuclear power plants in 72 hours. 

"The machine would be cannibalizing its own mass to perform its operations," 
Dr. Lloyd mused. No engineer from Eveready or Duracell could ever squeeze 
more juice from a chunk of matter. 

There would be obvious practical considerations to controlling (and computing 
with) what would amount to thermonuclear fusion. (Dr. Lloyd speculated that 
the computer's "circuitry" might consist of electrons and antimatter 
positrons, signaling each other with gamma rays.) But the details are 
unimportant. Ultimate computer science is not about what is probable but what 
is possible. The rest can be left to the engineers. 

The next step was to determine the maximum speed one can get from all that 
energy -- how rapidly the little switches can be flipped between 1 and 0, 
carrying out their calculations. 

Here Dr. Lloyd turned to quantum mechanics. One of the quirky rules governing 
the behavior of subatomic particles is Heisenberg's uncertainty principle, 
which, among other things, specifies a simple relationship between time and 
energy. To compute switching speed, one multiplies pi by a number called 
Planck's constant and divides by twice the available energy. Applied to the 
ultimate laptop, the answer is 5.4258 x 1050 operations per second -- about 
10,000 trillion trillion trillion times speedier than the Pentium 4. A 
computer that fast could never be obsolete -- not in this universe. 

These limits would hold true no matter what kind of technological 
breakthroughs lie ahead. "It doesn't matter whether you're computing with 
vacuum tubes or transistors or using quarks and gluons or something even more 
exotic like superstrings," Dr. Lloyd said. 

Relativity and quantum mechanics promise that is as fast as the ultimate 
laptop can be. 

Nor does it matter how the computer is designed. The energy can be used to 
power one extremely fast processor or many slower ones. Either way, the 
maximum possible number of operations per second is the same. 

Now that he had put an upper limit on speed, Dr. Lloyd wanted to see how big 
he could make the machine's memory -- how many bits of information could be 
stored and manipulated at those blazing speeds. Every atom or even every 
electron could be used to register a 1 or a 0, depending on which way it was 
spinning. But to store the maximum amount of information, the little 
processors would have to be free to assume as many different states as 
possible. At intense energies, information might be encoded not just by the 
spin of a particle but also by the speed and direction in which it was moving 
inside the machine. 

"In order to take full advantage of the memory space available, the ultimate 
laptop must turn all its matter into energy," Dr. Lloyd said. 

"A typical state of the ultimate laptop's memory looks like a thermonuclear 
explosion or a little piece of the Big Bang! Clearly, packaging issues alone 
make it unlikely that this limit can be obtained, even setting aside the 
difficulties of stability and control." 

An object like this, so packed with energy that its particles are as free as 
they can possibly be, is said to be in a state of maximum entropy. Though 
more commonly thought of as a measure of disorder -- a vaporized laptop being 
less orderly than one at room temperature -- entropy is also intimately 
related to information. The higher an object's entropy, the greater the 
number of different states its particles can assume, and the greater the 
amount of information it can store. 

For the ultimate laptop, the maximum entropy corresponds to an information 
capacity of about 2.13 x 1031 bits -- a billion trillion times more than 
today's laptops. 

Achieving so vast a memory might not be as unrealistic as it sounds. 

In a kilogram of matter there are approximately 1025 atomic nuclei, each of 
which could store a bit without vaporizing the entire mass. "One can get 
quite close to the ultimate physical limit of memory without having to resort 
to thermonuclear explosions," Dr. Lloyd said. 

Until this point, Dr. Lloyd had been constraining himself to a laptop with a 
volume of one liter. If he could make it even smaller, he knew, he could pack 
the kilogram of particle-size components even tighter, speeding up the 
information flow and shortening the time it takes to do long, step-by-step 
calculations. He would be sacrificing memory (there would be less room to 
store information) for speed. 

So in the final act of his thought experiment, he programmed the ultimate 
laptop to solve a formidable problem (cracking a secret code or something 
like that) and imagined it shrinking and shrinking -- to the size of a 
wallet, then a credit card, then a postage stamp. Smaller and smaller until 
its radius is a mere centimeter (10-2 meters), then a millionth of a meter 
(10-6 ), then a billionth (10-9 ). 

When the laptop has shrunk to 10-27 meters (a billionth the size of a 
proton), it crosses what is called the Schwarzschild radius: So much mass is 
packed into so little space that the whole thing collapses, sucking itself 
into a tiny black hole. 

Some people may be convinced that they already have a black hole laptop, 
imploding at the worst possible moments and irretrievably swallowing data. 

Owning the real thing would surely be even worse. 

According to some theories, however, information thrown down a black hole 
does not disappear, but is displayed on the hole's surface. Each pixel of 
this screen would occupy one square Planck length, 10-35 by 10-35 square 
meters, the smallest area conceivable by the laws of physics. 

Some theorists, in fact, believe that the information about everything that 
falls into any black hole is projected in this manner -- that each one of 
these sinkholes is, in a sense, processing information. 

Viewed this way, exercises like Dr. Lloyd's could have implications for 
physics and cosmology. 

"I would hope that the long-term consequence of this work is not building a 
black hole computer, which would be a dangerous thing to do," Dr. Lloyd said, 
"but seeing whether we can understand how nature itself processes 
information." 

If particles trade bits of data as readily as they trade energy, then the 
universe itself is the ultimate computer. And physics is a matter of 
deciphering its program. 

 
--,--`-<@  매일 그대와 아침햇살 받으며 매일 그대와 눈을 뜨고파.. 잠이 들고파..
Till the rivers flow up stream       |        Love is real      \|||/   @@@
Till lovers cease to dream           |        Love is touch    @|~j~|@ @^j^@
Till then, I'm yours, be mine        |        Love is free      | ~ | @@ ~ @@
[알림판목록 I] [알림판목록 II] [글 목록][이 전][다 음]
키 즈 는 열 린 사 람 들 의 모 임 입 니 다.