Результаты исследования учащихся в проекте Исследуем аппаратное обеспечение
Содержание
Авторы и участники проекта
- Дудин Илья
- Розов Павел
- Участники группы
Тема исследования группы
Аппаратное обеспечение
Проблемный вопрос (вопрос для исследования)
Какие тенденции ждет развитие аппаратного обеспечения компьютера?
Гипотеза исследования
Цели исследования
- Раскрыть тенденцию развития суперчипов и компьютеров пятого поколения.
- Напомнить о начале истории аппаратного обеспечения.
- Сделать выводы о тенденциях развития аппаратного обеспечения.
Результаты проведённого исследования
На протяжении последних 30 лет цена на компьютеры каждые десять лет падала на порядок, а производительность каждые десять лет увеличивалась на два порядка. Машины, эквивалентные мэйнфреймам по производительности, сегодня заменяются микрокомпьютерами, которые запросто помещаются на рабочем столе, в кейсе или кармане брюк. Технологии, традиционно основанные на больших универсальных машинах, медленно но верно вытесняются сетями на базе персональных компьютеров и серверов. Все большее распространение, как когда-то электронные микрокалькуляторы, получают портативные (notebook) и карманные (palmtop) микрокомпьютеры. Микропроцессоры помогают управлять автомобилями, системами вооружений, роботами и даже домашней техникой. Компьютеры объединяют возможности текста, графики, звука и анимации, делая доступной эту информацию с помощью сетей. В будущем, несомненно, компьютеры проникнут во все сферы нашей жизни, однако, большинство их "способностей" станут незаметными, "невидимыми" для людей. Некоторые из тих свойств компьютеров используются уже сегодня – это мультимедиа, суперчипы и компьютеры пятого поколения.
Суперчипы
В настоящее время продолжаются исследования в области полупроводников, направленные на уменьшение размеров элементов микросхем. Существующие на сегодня технологии позволяют "упаковывать" в один чип миллионы транзисторов. Микропроцессор P6 компании Intel содержит 5.5 миллионов транзисторов в одном кристалле размером с почтовую марку. Самые мощные современные процессоры, такие как Pentium 4 (Intel), Power PC (Motorola), Alpha (DEC), показывают производительность, сравнимую с мэйнфреймами. Их тактовая частота уже превысила 1ГГц. Микропроцессоры становятся все быстрее также благодаря уменьшению размеров между элементами и самих печатных проводников чипов. Сегодняшние сверхбыстрые микропроцессоры изготавливаются по технологии фотолитографии с толщиной кремниевой подложки 0.018мм. Это позволяет помещать миллионы транзисторов на кристалл размером с человеческий ноготь. Верхний из представленных на Рис. 1. графиков показывает, что толщина проводников микросхем давно уже меньше толщины человеческого волоса (один микрон), и к 2000 году достигла одной пятой микрона. На нижней части рисунка показан рост числа транзисторов в популярных моделях микропроцессоров в период с 1970 по 2000 годы. Как видно, число транзисторов, помещающихся в одном чипе, увеличивается вдвое каждые 18 месяцев, что позволяет предположить, что вскоре микропроцессоры будут содержать 50 и даже 100 миллионов полупроводниковых элементов. Надо сказать, что уже близок физический предел для технологии фотолитографии (0.015 мм), поэтому в настоящее время ведутся разработки новых методов изготовления полупроводниковых микросхем, а также совершенствования их работы.
Компьютеры пятого поколения
Современные компьютеры спроектированы по принципам архитектуры Фон Неймана (Von Neumann architecture). Они обрабатывают данные последовательно, одну инструкцию за цикл. В будущем, с развитием и повсеместным распространением технологий мультимедиа и с приходом компьютеров во все сферы нашей жизни, компьютерам нужно будет стать еще быстрее. Для этого предполагается использовать параллельную обработку данных (parallel processing). Сегодня эта технология уже применяется для создания систем искусственного интеллекта (artificial intelligence, AI) и построения сложных математических моделей. Суперкомпьютеры, однако, весьма дороги и далеко не каждая компания может позволить себе такое приобретение. Сегодня существует технология, также использующая суперпараллельную обработку данных, но существенно дешевле и проще – кластеры серверов. Суперпараллельные компьютеры (massively parallel computers), схема работы которых показана на Рис. 2., включают в себя сложнейшие цепи процессоров. Вместо методов параллельной обработки, где небольшое количество мощных, но дорогих специализированных процессоров связаны между собой, суперпараллельные компьютеры содержат сотни и тысячи недорогих обычных процессоров. Такие ЭВМ достигают производительности суперкомпьютеров. Например, Wal-Mart Stores использует суперпараллельную машину для учета товаров и продаж, обслуживая базу данных размером 1.8 триллионов байт. Суперпараллельные компьютеры имеют преимущество перед современными ЭВМ еще и благодаря своей сравнительно низкой стоимости: цена одной суперпараллельной ЭВМ составляет одну десятую от стоимости обычного мэйнфрейма или суперкомпьютера. Современные суперкомпьютеры способны выполнять сотни миллиардов вычислений в секунду. Суперкомпьютеры содержат десятки тысяч микропроцессоров и чипов памяти. Эти машины выполняют более триллиона вычислений в секунду – 1 TFLOPS (произносится терафлопс). Аббревиатура FLOPS обозначает Floating Point Operations per Second (операций с плавающей точкой в секунду). Термин плавающая точка обозначает, что имеются в виду операции с числами, содержащими десятичную запятую (а не целочисленные). В будущем компьютеры с подобной производительностью найдут применение в таких проектах, как сканирование поверхности планет, разработка новых компьютеров, проверка надежности аэродинамических свойств сверхзвуковых самолетов, моделирование ядерных процессов и других.
В 1976 году Джеймс Трейбиг (James Treybig) основал компанию Tandem. Начальной целью было построение отказоустойчивых компьютеров. Такие машины были нужны компаниям, которые использовали настолько важные приложения, что сколь-нибудь длительный простой компьютера мог стать причиной разорения компании. Трейбиг решил создать компьютер, который никогда бы не выходил из строя. Для поддержки устойчивости к неисправностям в компьютерах фирмы Tandem использовались избыточные компоненты. Как известно, чтобы брюки не свалились в самый ответственный момент, рекомендуется одновременно надевать ремень и подтяжки. Так и поступили в Tandem – их компьютеры имели пару для каждого компонента: источников питания, процессоров, ОЗУ, дисков и т.д. Причем, все эти компоненты могли при необходимости быть удалены и заменены "в горячем режиме", то есть без прерывания работы всей системы или влияния на работу остальных компонентов. Позже вопрос встал по-другому: а почему бы не соединить несколько таких компьютеров в одну систему, чтобы они работали вместе как один большой компьютер? Такие системы называют кластерами серверов (server clusters). Надежность кластеров чрезвычайно высока. Даже в случае выхода из строя одного или нескольких серверов, входящих в кластер, это никак не отразится на работе системы. Более того, оставшиеся работать компьютеры сбалансируют нагрузку и продолжат работать как ни в чем не бывало. Хотя кластеры серверов создавались прежде всего для обеспечения отказоустойчивости, с применением идей параллельной и суперпараллельной обработки, обнаружился настолько большой прирост производительности, что на сегодня многие организации, ранее использовавшие мэйнфреймы и суперЭВМ, заменяют их на кластеры серверов – последние на порядок (а то и на два) дешевле.
Вывод
Развитие электронной промышленности осуществляется такими быстрыми темпами, что буквально через один год, сегодняшнее "чудо техники" становится морально устаревшим.Однако принципы устройства компьютера остаются неизменными еще с того момента, как знаменитый математик Джон фон Нейман в 1945 году подготовил доклад об устройстве и функционировании универсальных вычислительных устройств.
