Module 1A: Digitale Revolutie

Question 1

Wat is de digitale transformatie?

Answer 1

• Onze samenleving wordt gekenmerkt door digitale revolutie = digitale transformatie:
  
  • Ingrijpende impact op onze samenleving.
  • Bv. digitaal verwerken data & documenten (belastingaangifte, doktersattesten, notarisaktes)
  • Bv. digitaliseren van de processen in bedrijven en organisaties (bv. e-government, elektronisch betalen, online bestellen, virtueel lessen volgen).

Question 2

Wat is de digitaliteit?

Answer 2

• Volledig leven in een digitale cultuur = digitaliteit (Nicolas Negroponte (MIT)

Dit is naar analogie met moderniteit en post-moderniteit.

Question 3

Wat impliceert de digitale transformatie?

Answer 3

*

Question 4

Waarom is een computer anders dan andere uitvindingen van technologische apparaten?

Answer 4

• Omdat een computer via software programmeerbaar is voor meerdere toepassingen.
• Bv. broodrooster kun je enkel gebruiken om brood te roosteren.
• Computers zijn (programmeerbare) machines om berekeningen te maken.

Question 5

Geschiedenis computers?

Answer 5

• Rekenmachines in 19de eeuw, toen met mechanische componenten: bv. Babbage machine.
• 20ste eeuw: elektronische componenten. Eerst elektronenbuizen en dan halfgeleidercomponenten: vooral IBM van belang.
• WOII & Koude Oorlog grote drijfveren: bv. code kraken waarmee vijanden boodschappen versleutelt.
• Computers met buizen (bv. ENIAC) waren groot en verbruikten veel vermogen en weinig bedrijfszeker.

Question 6

Wanneer is transistor uitgevonden?

Answer 6

• 1947

Question 7

CMOS

Answer 7

• Complementary metal oxide semiconductor = halfgeleidertechniek: geïntegreerde schakeling.

Question 8

Wanneer eerste persoonlijke computer

Answer 8

• IBM 1981.
• Koplopers: Intel, Motorola, Apple.
• Microsoft voor een operating systeem: MS DOS
• Applicatiesoftware door Microsoft: Word of Office.
• Nu evenwicht vooral naar bedrijven die diensten en software applicaties aanbieden: Google, Facebook, Spotify,… Ook bestaande bedrijven (IBM) hebben zich geheroriënteerd in die richting van aanbieden van diensten.

Question 9

Hoe zijn computers opgebouwd?

Answer 9

Micro/nano elektronica. Basisbouwblok = transistors → dat zijn digitaal programmeerbare schakelaars:

• Aan = een logische “1”
• Uit = een logische “0”

Question 10

Wat is een chip?

Answer 10

• Vele transistoren op een geïntegreerde schakeling aan elkaar verboden = chip om rekenprocessen en geheugens te bouwen, waarmee dan computers worden opgebouwd.
• Chips worden momenteel efficiënt gefabriceerd in CMOS-halfgeleidertechnolgie in chipfabrieken.

Question 11

Wat is Moore’s law?

Answer 11

• Gordon Moore, mede-oprichter Intel voorspelde in 1965 dat het het aantal transistoren op een CMOS-chip elke 1,5 jaar zou verdubbelen (en dit dankzij de continue verkleining van de transistoren), later is dit tempo bijgesteld naar verdubbeling elke 2 jaar.
• Het is een voorspelling en geen wetmatigheid maar industrie heeft dit lang als een zelfverklaarde leidraad gebruikt.

Question 12

Gevolg Moore’s law?

Answer 12

• Door schaalverkleining van de transistoren hebben computers meer rekenkracht voor zelfde prijs en zijn ze steeds sneller.
• De rekenkracht van computers neemt exponentieel toe in de tijd = maakt heel veel toepassingen mogelijk en maakt kostprijs van bestaande technologieën veel goedkoper.
• Deze continue toename in bestaande en nieuwe toepassingen maakt ook dat elektronica en computers een steeds toenemende impact op onze samenleving hebben.

Question 13

Wat versterkt, naast de rekenkracht per computer ook de exponentiële groei?

Answer 13

• Het aantal computers dat we gebruiken. Netwerken tussen die computers versterkt de exponentiële groei! Zo sneller complexere problemen oplossen.
• Netwerken kunnen ook snel veel data transfereren en ook mogelijk om diensten aan te bieden waarvoor de rekenkracht of de dataopslag elders staan dan op je eigen computer, waardoor nieuwe online-diensten kunnen aangeboden worden (bv. een zoekactie in een browser, streaming van audio en video, enz.

Question 14

Wat verklaar de exponentiële groei van rekenkracht computers?

Answer 14

• Dit verklaart dan ook de groeiende impact van de software-industrie in onze samenleving, en dus ook het toenemend belang van algoritmen.

Question 15

Wat als de exponentiële groei in rekenkracht blijft doorgaan?

Answer 15

• Zie boek: “The Singularity is Near” van Ray Kurzweil van 2005.
• Rekenkracht computers = aantal berekeningen per seconde door computer die 1000 dollar kost.
• Rekenkracht stijgt al exponentieel sinds 1900, initieel in andere technologieën. Ook wanneer huidige CMOS-schaalverkleining niet meer mogelijk is (fysische grenzen schaalverkleining): wetenschappers andere technologieën voor groei in rekenkracht verder te zetten.

Question 16

Wat is technologische singulariteit?

Answer 16

• Tegen 2040-2050 wordt verwacht dat computers even krachtig zijn als het brein van alle mensen samen = daarna technologische singulariteit.
• Doemdenkers = risico voor voortbestaan van de mensheid, tenzij we dus voorwaarden opleggen aan wat die technologie mag doen en hoe die mag ingrijpen in onze leefwereld.

Question 17

Hoe is de continue exponentiële groei in rekenkracht gerealiseerd?

Answer 17

• Eerst (elektro)mechanische computers, dan computers met relays, halfgeleide elektrische buizen, nu micro en nano elektronische transistoren.

Question 18

Wat zijn mogelijkheden voor in de toekomst nog krachtigere computers te maken?

Answer 18

• Neuromorfe computers, kwantumcomputers, spintronicacomputers, DNA-gebaseerde computers, moleculaire computers,…
• Welke van deze techniek(en) uiteindelijk zullen doorbreken is op dit moment nog helemaal niet duidelijk: het hangt van de performantie af, maar ook van de kostprijs en de betrouwbaarheid en dergelijke waarmee ingenieurs die computers kunnen maken.

Question 19

Illustratie Von Neumann architectuur?

Answer 19

Question 20

Wat is de Von Neumann-architectuur?

Answer 20

• 1945: wiskundige en natuurkundige John von Neumann in: “First Draft of a Report on the EDVAC”: huidige computers gebruiken dit.
• Beschrijft een ontwerparchitectuur voor een elektronische digitale computer.

Question 21

Uit wat bestaat Von Neumann-architectuur?

Answer 21

1. Centrale verwerkingseenheid (CPU)die op zijn beurt uit een rekenkundig-logische eenheid (Arithmetic/Logic Unit (ALU)) en processorregisters bestaat naast een besturingseenheid (Control Unit) met instructieregister en programmateller.
2. RAM Memory Unit: Een computergeheugen (RAM Memory Unit) om zowel data als de instructies op te slaan
3. Input en Output Devices: Externe massaopslag en invoer- en uitvoermechanismen (Input en Output Devices)

Question 22

Hoe werkt zo een computer?

Answer 22

• Computer wordt geprogrammeerd met programma = een reeks van instructies die achtereenvolgens worden uitgevoerd, dat ingeladen wordt in het geheugen.
• CPU haalt de instructies stap voor stap uit het geheugen en voert ze uit op op data die eveneens in het geheugen van de computer worden ingeladen en opgeslagen; resultaten van (tussen)berekeningen worden opnieuw naar het geheugen weggeschreven en het eindresultaat van de berekening wordt uiteindelijk uitgelezen.

Question 23

Wat is het gevolg van de von Neumann-architectuur?

Answer 23

• Bij de Von Neumann-architectuur kan het ophalen van de volgende instructie om uit te voeren en het uitvoeren van een bewerking op de data niet op hetzelfde moment plaatsvinden, aangezien zij een gemeenschappelijk bus naar het geheugen delen.
• Dit maakt dit eenvoudige machine om te ontwerpen, maar kan in de praktijk soms een flessenhals zijn die de snelheid beperkt waarmee de computer zijn programma kan uitvoeren.

Question 24

Voor wat zijn von Neumann-gebaseerde computers zeer geschikt?

Answer 24

Uitvoeren van numerieke berekeningen: bv. de evolutie van het weer voorspellen via het uitrekenen van de wiskundige modellen die het weer beschrijven.

Question 25

Voor wat zijn von Neumann-gebaseerde computers minder efficiënt?

Answer 25

• Uitvoeren van cognitieve taken, zoals het herkennen en classificeren van personen of dieren op foto’s.
• Hiervoor wordt gekeken naar neuromorfe computers, d.w.z. computers die architecturaal zo zijn opgebouwd dat ze de neurobiologische architectuur en werking van onze hersenen en zenuwen proberen na te bootsen of te emuleren.

Question 26

Waarom zijn neuromorfe computers nuttig?

Answer 26

• Het zijn (zelf)lerende systemen die via training hun werking kunnen verbeteren en die zich kunnen aanpassen aan de omstandigheden of aan veranderende situaties (plasticiteit) en die beslissingen kunnen nemen bijvoorbeeld op basis van gegevens ontvangen van sensoren.
  
  • Toepassingen zoals visie, gehoor, autonome robots, autonome auto’s, en dergelijke.

Question 27

Wat moeten we goed begrijpen voor de neuromorfe computers?

Answer 27

• Een goed begrip van hoe ons brein precies werkt is hierbij uiterst belangrijk; en alhoewel we reeds heel wat vorderingen gemaakt hebben, is hierover toch nog niet alles geweten.

Question 28

Kan men artificiële neurale systemen ook op klassieke computers programmeren?

Answer 28

• Ja, maar implementaties in specifieke neuromorfe hardware zijn typisch sneller en verbruiken minder energie. Voorbeelden zijn Intel’s Loihi chip and IBM’s TrueNorth chip.

Question 29

Kwantumcomputers

Answer 29

Dit zijn computers waarbij de rekenprocessor gebruikmaakt van de principes van de kwantummechanica (superpositie, verstrengeling en interferentie van deeltjes of fotonen)

Question 30

Wat is het basiselement bij kwantumcomputers?

Answer 30

Qubits die kwantummechanisch tegelijkertijd de waarden “0” en “1” kunnen hebben; berekeningen met qubits worden dus tegelijk voor beide waarden uitgevoerd. Hierdoor stijgt de rekenkracht exponentieel (2#qubits) met het aantal qubits.

Question 31

Wat kan een kwantumprocessor?

Answer 31

• Een kwantumprocessor kan in parallel, dezelfde berekeningen uitvoeren voer een zeer grote hoeveelheid data en is daardoor - tenminste voor specifieke problemen die ervoor geschikt zijn - intrinsiek veel sneller dan klassieke computers die de berekeningen herhaaldelijk dienen uit te voeren voor alle data.

Question 32

Wat zijn mogelijke toepassingen van kwantumcomputers?

Answer 32

• Encryptie = cyberbeveiliging van data
• Snel zoeken in grote databanken
• Kwantumsimulaties van bv. chemische reacties
• Snel zoeken in grote databanken
• AI en andere vormen van machinaal leren

Question 33

Wat is nu de beperking van kwantumcomputers?

Answer 33

• Een beperking tot op dit moment is dat de verstrengeling van qubits vrij snel onstabiel wordt (decoherentie genoemd), waardoor het aantal betrouwbaar uit te voeren kwantumberekeningen en dus de lengte van de uit te voeren kwantumalgoritmes in de praktijk nog vrij beperkt is.

Question 34

Hoe hebben we momenteel kwantumcomputers?

Answer 34

Heel beperkt in aantal qubits en dienen ook extreem gekoeld te worden.

Question 35

Wat zegt Google over kwantumsuprematie?

Answer 35

Google zegt dat ze kwantumsuprematie gerealiseerd hadden: d.w.z. dat ze een probleem met een kwantumcomputer in een korte tijdsspanne hadden opgelost dat in geen realistisch eindige tijdspanne met een klassieke supercomputer op te lossen is), maar IBM heeft dit (minstens in theorie) nadien ontkracht

Question 36

Evolutie domein kwantumcomputers?

Answer 36

Dit domein is dus nog in volle evolutie, zowel op het vlak van kwantumhardwaretechnologie als op het vlak van kwantumsoftware-algoritmes.