ebook Feynmana wykłady. Przetwarzanie informacji Richard P. Feynman

Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN

Rok wydania: 2022

Chyba nikomu nie trzeba przedstawiać kultowej serii podręczników, opracowanej na podstawie wykładów Feynmana z fizyki. Ale Richarda Feynmana – jako prawdziwego „człowieka renesansu” – interesowały również inne dziedziny. Mało kto wie, że Feynman miał również duży wkład w rozwój informatyki. Jeszcze przed pojawieniem się komputera cyfrowego, powierzono mu kierowanie „grupą IBM”. W latach 80-tych ubiegłego wieku prowadził kurs na temat obliczeń i teorii informacji, który w dokumentacji CalTechu nosi tytuł „Możliwości i ograniczenia maszyn obliczeniowych”. Wykłady były nagrywane na taśmy. Z nich właśnie zrekonstruowano notatki z wykładów, stanowiących bazę niniejszej publikacji.

Materiał zawarty w książce stanowi feynmanowski przegląd niektórych standardowych i ponadczasowych tematów z dziedziny informatyki. Jako całość kurs jest niezwykły i prawdziwie interdyscyplinarny. Ukazuje podejście Feynmana do takich tematów jak: obliczalność, maszyny Turinga (lub jak mówi Feynman „maszyny Pana Turinga”), twierdzenie Shannona i teoria informacji. Zawiera też jego rozważania na temat obliczeń odwracalnych, termodynamiki i obliczeń kwantowych.

Książka z jednej strony stanowi przegląd podstawowych informacji, przydatnych osobom zajmującym się metodami obliczeniowymi, z drugiej – prezentacją wizji rozwoju nauk informatycznych z początków ich istnienia, którą – chociażby z ciekawości – warto skonfrontować z aktualnym stanem wiedzy. W tym zakresie Feynman nie był fantastą, lecz prawdziwym wizjonerem.

Spis treści ebooka Feynmana wykłady. Przetwarzanie informacji

Przedmowa Wydawcy 9

Przedmowa Feynmana 15

1. Wprowadzenie do komputerów 17
1.1. Model urzędnika archiwisty 21
1.2. Zbiory instrukcji 24
1.3. Podsumowanie 32

2. Organizacja komputerów 35
2.1. Bramki i układ kombinacyjny 35
2.2. Dekoder binarny 44
2.3. Więcej o bramkach: bramki odwracalne 47
2.4. Funkcjonalnie pełne zbiory operatorów 52
2.5. Przełączniki i pamięć komputerowa 54
2.6. Taktowanie i rejestry przesuwne 58

3. Teoria obliczeń 63
3.1. Efektywne procedury i obliczalność 64
3.2. Automaty skończone 66
3.3. Ograniczenia automatów skończonych 70
3.4. Maszyny Turinga 75
3.5. Więcej o maszynach Turinga 83
3.6. Uniwersalne maszyny Turinga i problem stopu 88
3.7. Obliczalność 95

4. Kodowanie i teoria informacji 101
4.1. Informatyka i teoria komunikacji 102
4.2. Wykrywanie błędów i kody korygujące 102
4.2.1. Sprawdzanie parzystości 103
4.2.2. Kody Hamminga 105
4.2.3. Uwaga o pamięci 110
4.3. Twierdzenie Shannona 112
4.4. Geometria przestrzeni komunikatów 116
4.5. Kompresja danych i informacja 121
4.6. Teoria informacji 126
4.7. Dalsze techniki kodowania 128
4.7.1. Kodowanie Huffmana 129
4.7.2. Kodowanie predykcyjne 132
4.8. Transmisja sygnałów analogowych 134

5. Odwracalne obliczenia i termodynamika obliczeń 141
5.1. Fizyka informacji 141
5.1.1. Demon Maxwella i termodynamika pomiarów 150
5.1.2. Energia i teoria Shannona 152
5.2. Odwracalne obliczenia i termodynamika obliczeń 153
5.2.1. Komputery odwracalne 154
5.2.2. Obliczanie kopii 157
5.2.3. Implementacja fizyczna 160
5.2.4. Żyjący komputer 163
5.3. Obliczenia: koszty energii a prędkość 166
5.4. Ogólny odwracalny komputer 170
5.5. Komputer z kulą bilardową 174
5.6. Obliczenia kwantowe 179

6. Komputery mechaniki kwantowej 181
6.1. Wprowadzenie 181
6.2. Obliczenia z wykorzystaniem maszyn odwracalnych 183
6.3. Komputer mechaniki kwantowej 187
6.4. Niedoskonałości i nieodwracalna strata energii swobodnej 193
6.5. Upraszczanie implementacji 196
6.6. Wnioski 202
6.7. Bibliografia 203

7. Fizyczne aspekty obliczeń 205
Zastrzeżenie od wydawców 205
7.1. Fizyka przyrządów półprzewodnikowych 206
7.1.1. Dioda ze złączem p-n oraz tranzystor n-p-n 210
7.1.2. MOSFET 214
7.1.3. Bramki logiczne MOSFET i elementy obwodu 224
7.2. Zużycie energii i utrata ciepła w komputerach 228
7.2.1. Inwerter CMOS 229
7.2.2. Gorące taktowanie 236
7.2.3. Ogólne rozważania i interesujące związki 240
7.3. Budowa układu VLSI 245
7.3.1. Projekt obwodu i tranzystory przepustowe 252
7.3.2. Programowane macierze logiczne 254
7.4. Dalsze ograniczenia projektu maszyny 259
7.4.1. Przesunięcie czasowe 260
7.4.2. Pakowanie przewodów: reguła Renta 262

Posłowie: wspomnienie o Richardzie Feynmanie 269

Polecane lektury 279