Файл: Перспективы развития технологий ПК (Перспективы развития архитектур современных ЭВМ и компьютерных систем).pdf

Введение

Главными факторами развития информационных технологий, являются социально-экономические потребности общества. На каждом этапе развития человеческого общества рост трудоемкости, сложности и количества задач, подлежащих решению с помощью средств вычислительной техники, как правило, опережают возможности имеющихся средств, что приводит к необходимости поиска новых архитектурно-структурных решений и новых парадигм организации вычислительного процесса. К таким задачам относятся задачи государственного стратегического значения, необходимость решения которых в текущий момент времени не вызывает сомнений. Существенный вклад в развитие вычислительных средств обычно вносили технологические решения, при этом основополагающей характеристикой нового поколения вычислительных систем являлась элементная база, так как переход на новую элементную базу всегда способствовал улучшению показателей производительности и надежности вычислительных систем.

Актуальность исследования. В настоящее время практически во всех средствах вычислительной техники используется твердотельная элементная база, реализованная в виде больших интегральных схем (БИС), технологический размер элементов при создании которых достиг порядка 0,1 мкм за счет использования современных технологических решений. Однако дальнейшая миниатюризация элементов ограничена физическим барьером. Проектная норма 0,05 – 0,1 мкм (50-100 нм) это нижний предел твердотельной микроэлектроники, основанной на классических принципах синтеза схем, так как при меньших размерах начинают проявляться эффекты квантовой связи, в результате чего твердотельное устройство становится системой, действие которой основано на коллективных электронных процессах. Современные полупроводниковые компьютеры в скором времени исчерпают свой потенциал, и даже в случае перехода к трехмерной архитектуре микросхем их быстродействие будет ограничено (предполагается до значения 1015 операций в секунду). Вне зависимости от указанных выше факторов, а также от величины потребляемой мощности вычислительной техникой, выполненной на базе кремния, и достигнутого технологического предела уменьшения размеров элементов на кристалле БИС, кремниевая элементная база все еще может быть использована в течение нескольких лет. В преддверии окончания кремниевой эпохи, актуальной становится проблема поиска новых парадигм построения элементной базы, вычислительных средств и систем на её основе. В этом направлении проводятся активные исследования в сфере нанотехнологий в следующих областях: молекулярная электроника; биохимические и органические элементы; квазимеханические элементы на основе нанотрубок; квантовые компьютеры, нейрокомпьютеры и др.

---

Цель исследования на основе анализа современного состояния и перспектив развития компьютерных систем, элементной базы и информационных технологий определить их взаимосвязь и стратегию перехода к новым вычислительным парадигмам, обеспечивающим существенное повышение производительности компьютерных систем за счет перехода от микротехнологий к нанотехнологиям при создании элементной базы и компьютерной системы в целом.

1. Исследовать перспективы развития архитектур современных ЭВМ и компьютерных систем.

2. Исследовать особенности элементной базы, принципы работы которой основаны на применении молекулярной электроники, биохимических и органических элементов, квантовых процессов, нейросетей и др. Определить научно-технические проблемы, которые необходимо решить при создании нанокомпьютеров на перспективной элементной базе.

3. Определить взаимосвязь между процессами поиска новых парадигм создания перспективной элементной базы и организации перспективных архитектур ЭВМ и систем, использовав при этом онтологический подход.

1. Перспективы развития архитектур современных ЭВМ и компьютерных систем

1.1 Понятие нанотехнологий

Нанотехнологии – это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это технологии манипуляции отдельными атомами и молекулами, в результате которых создаются структуры сложных спецификаций. Переход от “микро” к “нано” – это уже не количественный, а качественный переход, скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. На рис.1 представлен фрагмент схемы онтологии поиска новых парадигм для обеспечения требуемых характеристик ВТ, необходимых для решения пользовательской задачи. При этом символы “O”, “&”, вписанные в малые кружки, соответственно означают: – реализация функции “И” между всеми объектами (событиями) в точке их соединения или переход одновременно ко всем объектам (событиям) в точке их разъединения; символ “O” обозначает функцию “ИЛИ” при переходе от общей линии в точке их разъединения одновременно к одному или нескольким объектам (событиям) или в точке соединения объектов – переход от одного или нескольких объектов к общей линии. Если же при выбранной парадигме организации вычислительного процесса не удается обеспечить требуемые для решения задачи характеристики ВТ, то переходят на поиск новой парадигмы создания элементной базы, отличающейся от полупроводниковой другими физическими принципами и явлениями.

---

Речь идет об использовании особенностей оптических, квантовых, химических, биологических и других явлений, приспосабливаемых для организации вычислительных процессов. Если для выбранной новой парадигмы создания элементной базы все научно-технические проблемы создания ВТ решены, то так же, как и в предыдущем случае, анализируют линии развития средств, выполненных уже на новой элементной базе, с целью определения соответствующей парадигмы архитектурно структурной организации, которая могла бы обеспечить требуемые технические характеристики ВТ. Если и при этом выходят на предельные значения параметров ВТ, которые не удовлетворяют требованиям со стороны задач пользователя, то изменяют парадигму информационной технологии, и точно также проходят цикл анализа линий развития ВТ, но уже с учетом новой элементной базы, пока не будут обеспечены необходимые технические параметры.

1.2. Анализ архитектур различных классов

Анализ архитектур различных классов показал, что основные перспективные научно-технические решения, как правило, апробируют при создании супер-ЭВМ и, спустя некоторое время, затем их переносят на другие классы ЭВМ и систем. Например, персональные компьютеры (ПК) в настоящее время имеют те же характеристики, что и супер-ЭВМ примерно 13 лет назад. С другой стороны, переход в область нанотехнологий позволяет не только повысить производительность супер-ЭВМ, но и существенно уменьшить её размеры, что как раз согласуется с тенденцией развития ПК. Поэтому, в данной работе мы остановимся на линии развития супер-ЭВМ и ПК, выделяя при этом особенности построения элементной базы, основанной на новой парадигме, которая и по назначению, и по своим особенным свойствам как раз и соответствует линии развития этих классов машин. Что касается линий развития машин других классов (серверов, майнфреймов и др.), то они обычно строятся на базе ПК или суперЭВМ, и поэтому здесь не рассматриваются. Линии развития ЭВ и систем.

Можно выделить следующие основные линии их развития: кластерные системы; метакомпьютеры и GRID-системы; персональные ЭВМ, а также мобильные компьютеры типа ноутбуков и карманных персональных компьютеров; супер-ЭВМ, основанные на использовании новой машинной алгебры (например, алгебры матриц, рядов Фурье и др.); знание-ориентованные и онтологоуправляемые компьютерные системы; распределенные компьютерные системы типа “Процессор-в-памяти” (“Processor-in-Memory”(PIM-системы)), “Память-в-процессоре (“Memory-in-processor” (MIP системы)); линии развития образного компьютера; искусственного интеллекта; реконфигурируемых компьютерных систем; линия развития специализированных средств обработки информации и др.

---

Достигнутая степень интеграции позволяет строить параллельные системы, в которых число процессоров может достигать десятки и сотни тысяч. Отмечено, что в области повышения производительности вычислительных систем резерв технологических решений ограничивается одним порядком. Освоение же массового параллелизма и новых архитектурных решений содержит резерв повышения производительности на несколько порядков.

О

а₂

a₁

а₂

а₇

Совешенствования архитектуры и структуры КС

a₁

а₃

а₂

О

а₆

а₄

а₂

а₂

а₅

а₅

а₆

а₆

&

а₇

О

а₂

а₈

а₇

а₅

a₁

а₂

а₅

О

а₅

а₅

а₈

О

а₅

а₅

а₇

а₇

О

а₇

а₂

Переход на новую парадигму создания элементной базы для КС и вычислений

а₇

О

a₁

Переход на новую парадигму информационных технологий

Поиск новых парадигм создания архитектур и структур КС и организации вычислительного процесса на новой элементной базе

Био-ДНК элементная база

Химическая элементная база

Квантовая элементная база

Оптическая элементная база

Создание элементной базы на других физических принципах

Развитие промышденной технологии создания элементной базы

Поиск новых парадигм создания архитектур и структур КС и организации вычислительного процесса

Нанотехнологии

Достижение предельных значений параметров КС для выбранных парадигм

Персональных компьютеров (ПК)

Мейнфреймов и рабочих станций на базе ПК

Линии развития других типов КС

---

Технологические границы создания элементной базы

Полупровод-никовая технология

Линии развития архитектуры суперЭВМ

Ноутбуков, мобильных ПК и др.

Реконфигурируемых архитектур

Усложнение задач, решаемых пользователем

Не приводит к требуемым параметрам КС

Расширение области применения КС

Совершенствование информационных технологий

Архитектур суперЭВМ и кластерных систем
Метакомпьютеров и GRID систем
PIM и MIP систем

Обозначения: a₁ – определяет; a₂ – обеспечивает; a₃ – не приводит к требуемым результатам; а₄ – является причиной; а₅ – определяет объект поиска; а₆ – входит в состав; а7 – достигает; а₈ – включает.

Рисунок 1 – Фрагмент схемы онтологии перехода к новым парадигмам при создании КС

Одним из факторов, влияющих на архитектуру высокопроизводительных вычислительных систем, является взаимозависимость архитектуры и алгоритмов решаемых задач. Такая взаимозависимость выступает стимулом для поиска алгоритмов, наилучшим образом соответствующих возможным формам параллелизма на уровне аппаратуры. Одним из способов дальнейшего повышения производительности вычислительной системы является объединение суперкомпьютеров в кластеры при помощи оптоволоконных соединений. Линия развития персональных компьютеров. Персональный компьютер (ПК) представляет собой наиболее развитый вид микропроцессорных систем. Применительно к ПК можно выделить следующие семейства, отличающиеся, в основном, назначением использования: офисные (настольные), рабочие станции, майнфреймы, серверы и мобильные (переносные) типа ноутбук, карманных ПК (КПК).

В среднем по уровню производительности сегодняшние профессиональные ПК практически соответствуют суперкомпьютерам 13-летней давности. Именно поэтому исследование рынка высокопроизводительных вычислений — хороший способ оценить направление развития массовых компьютеров будущего. Сейчас происходит трансформация парадигмы компьютерных вычислений: раньше ее центром был компьютер, а теперь им становится человек, при этом вычисления становятся по-настоящему персональными. Пользователя сегодня окружают самые разные электронные устройства и приложения. Ему необходимо обеспечить доступ к нужным сервисам и приложениям везде, в любой момент времени и с любых устройств. Существенные моменты новой компьютерной парадигмы — это вовлечение пользователей в работу с компьютером, делая ее простой и удобной; согласованная работа различных формфакторов и гарантированная защита всех устройств.

---