Physical aspects of the IT industry: From software architectures to cyber-physical systems

Abstract

he functioning of modern computing systems is based on a complex interconnection of hardware and applied physical phenomena. The relevance of the study was determined by the fundamental dependence of technological innovations in the IT industry on the laws of physics, which simultaneously defined both limits (e.g. quantum tunnelling in nanometre-scale transistors) and new opportunities (e.g. quantum superposition in qubits). The aim of the work was to analyse the interconnection of fundamental physical laws with the hardware-software architecture of computing systems and to determine directions for future development. The methodology of the study was based on a systematic approach, including content analysis of high-quality scientific data, structural-functional analysis of physical clusters, and theoretical synthesis of interdisciplinary connections, supported by logical-graphical modelling. The main results of the study revealed that quantum mechanics and thermodynamics set the physical limits for transistor miniaturisation and managed the thermal regime of microchips, while optics was the foundation for high-speed data transmission and microchip lithography. Classical mechanics and electrodynamics ensured the functioning of cyber-physical systems, including automated control systems, robotic complexes, and wireless communication infrastructure. It was analysed that molecular physics and the modelling of nanoscale structures played a crucial role in the design of new semiconductor materials and the prediction of component durability based on appropriate computerphysical models. It was shown that nuclear and atomic physics played a key role in ensuring the radiation hardness of electronics and were considered a potential power source for highly autonomous computing complexes. Particular attention was paid to promising areas, specifically superconductivity, quantum computing, and quantum cryptography. The practical value of the work lies in forming a comprehensive perspective on the physical foundations of computing systems, which was critically important for computer and software engineers, and scientists when developing new materials, designing high-performance and energy-efficient microchips, and creating reliable autonomous and quantum computing systems

Функціонування сучасних обчислювальних систем базується на складному взаємозв’язку апаратного забезпечення та прикладних фізичних явищ. Актуальність дослідження визначається фундаментальною залежністю технологічних інновацій в ІТ-індустрії від законів фізики, які водночас визначають як межі (наприклад, квантове тунелювання в нанометрових транзисторах), так і нові можливості (наприклад, квантова суперпозиція у кубітах). Метою роботи було проаналізувати взаємозв’язок фундаментальних фізичних законів з апаратно-програмною архітектурою обчислювальних систем та визначати напрямки майбутнього розвитку. Методологія дослідження базувалася на системному підході, що включав контент-аналіз високоякісних наукових даних, структурно-функціональний аналіз фізичних кластерів та теоретичний синтез міждисциплінарних зв’язків, підкріплених логіко-графічним моделюванням. Основні результати дослідження виявили, що квантова механіка і термодинаміка задають фізичні межі для мініатюризації транзисторів та керують тепловим режимом мікросхем, а оптика є основою для високошвидкісної передачі даних і літографії мікрочипів. Класична механіка та електродинаміка забезпечують функціонування кіберфізичних систем, включаючи автоматизовані систем керування, роботизовані комплекси та інфраструктуру бездротового зв’язку. Проаналізовано, що молекулярна фізика та моделювання нанорозмірних структур відіграють вирішальну роль у проєктуванні нових напівпровідникових матеріалів і прогнозуванні довговічності компонентів на основі відповідних комп’ютерно-фізичних моделей. Показано, що ядерна та атомна фізика відіграють ключову роль у забезпеченні радіаційної стійкості електроніки і розглядаються як потенційне джерело живлення для високоавтономних обчислювальних комплексів. Особлива увага приділена перспективним напрямам, зокрема надпровідності, квантовим обчисленням та квантовій криптографії. Практична цінність роботи полягає у формуванні комплексного погляду на фізичні основи обчислювальних систем, що є критично важливим для комп’ютерних та програмних інженерів, науковців при розробці нових матеріалів, проєктуванні високопродуктивних і енергоефективних мікросхем, а також для створення надійних автономних та квантових обчислювальних систем.