Файл: Состав и свойства вычислительных систем (Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем).pdf

Продолжение таблицы 1

Продолжение таблицы 1

Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем

Наряду с аппаратным и программным обеспечением вычислительных систем рассматривают информационное обеспечение – это совокупность программ и предварительно подготовленных данных, необходимые для работы данных программ.

В качестве примера можно привести процесс автоматической орфографии, которая заключается в том, что исходный текст сравнивается с заранее заготовленным словарем (эталонным массивом данных). Т.е. для работы важно иметь специальные наборы словарей, подключаемые извне [11].

На специализированных компьютерных системах (бортовых компьютерах автомобилей, судов, ракет, самолетов, космических летательных аппаратов и т. п.) совокупность программного и информационного обеспечения называют математическим обеспечением. Как правило, оно «жестко» записывается в микросхемы ПЗУ и может быть изменено только путем замены ПЗУ или его перепрограммирования на специальном оборудовании.

2 современные вычислительные системы и тенденции их развития

Проблемы современных вычислительных систем

Наибольшая доля вычислительных систем реализована на базе полупроводниковых технологий в виде больших и сверхбольших интегральных схем (соответственно, БИС и СБИС). Производительность вычислительных систем в первую очередь зависит от числа элементов на кристалле БИС или СБИС. При использовании традиционных технологий данную проблему можно решить двумя способами:

• увеличить размеры кристалла;
• уменьшить площадь, которую занимают простейшие элементы, и одновременно увеличить плотность упаковки этих элементов на кристалле [9].

В первом случае возможно не только увеличение кристалла, но и его подложки. Так, если ее диаметр увеличить на 10%, то прирост числа элемента на кристалле увеличится на 60%. Но проблема заключается в том, что это снижает однородность её свойств и приводит к техническим сложностям при её изготовлении. На текущий момент времени, увеличение размера подложки происходит каждые 9 лет. Но увеличение производительности вычислительных систем путем бесконечного увеличения кристалла не целесообразно.

Второй путь, указанный выше, заключается в уменьшения размеров элементов и размеров соединяющих их проводников. Создание интегральных микросхем выполняется по технологии литографии: на первом этапе формируется маска, которая определяет структуру будущей микросхемы. На следующем этапе маска накладывается на полупроводниковую пластину, после чего пластина облучается, и образуется микросхема [9].

Размер элементов на кристалле зависит от типа литографии. Долгое время использовалась оптическая литография, которая позволяла произвести кристаллы с элементами размером в 0,5 – 0,35 мкм. Дальнейшие уменьшение элементов (0,25 – 0,08 мкм) может быть достигнуто с помощью лазерной, ионной и рентгеновской литографии, что позволяет выйти на размеры элементов. Однако такие технологии сопровождаются следующими проблемами:

• • микроскопические размеры элементов требуют высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур. Поэтому новые заводы по производству микросхем имеют уникальное оборудование, размещаемое в «сверхчистых» помещениях;
  • уменьшение размеров микросхем и повышение уровня их интеграции приводит к дилемме между потребляемой и рассеиваемой мощностью кристалла. Сокращение размеров микросхем в два раза вызывают изменение их объёма в восемь раз. В этой же степени изменяются мощностей, иначе схемы будут перегреваться и выходить из строя. Таким образом, создание СБИС и ультра-СБИС связано со снижением тактовой частоты работы схемы.

В связи с этим, дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счёт архитектурных решений, либо за счёт новых принципов построения и работы микросхем. Т.к. микросхемы СБИС не могут работать с высокой тактовой частотой, то в вычислительных машинах будущих поколений они, скорее всего, будут объединены в системы [9].

Рассеиваемая мощность кристалла является величиной постоянной. Увеличение числа элементов на кристалле приводит к уменьшению мощности каждого из них и, как следствие, снижению быстродействия. Для его увеличения необходимо уменьшать степень интеграции элементов на кристалле. Таким образом, СБИС не могут обладать высоким быстродействием, а ССИС – высокой степенью интеграции.

Перспективы развития вычислительных систем

Одним из приоритетов государственной политики России на современном этапе развития является развитие суперкомпьютерных технологий. Такие технологии являются основой для развития перспективных технологий, таких как биотехнологии, нанотехнологии, решения для энергетики будущего и т.п. Также с помощью суперкомпьютеров создаются современные изделия высокой сложности (аэрокосмическая техника, суда, энергетические блоки электростанций различных типов) [1].

Таким образом, суперкомпьютерные технологии выступают в качестве важнейшего фактора обеспечения конкурентоспособности экономики страны.

В развитии суперкомпьютерной отрасли можно выделить два слоя.

• технологии уровня N: это суперкомпьютерные технологии будущего, которые еще не вполне освоены, а только-только разрабатываются;
• инновационные технологии: совершенно новые технические решения, недоступные на рынке. На базе инновационных технологий создают суперкомпьютеры, которые сильно вырываются вперед. Эти вычислительные системы сверхвысокой производительности обладают мощностью, которая радикально отличает их от всех других машин. И на платформе таких систем можно выполнить расчеты, которые невозможно повторить (ни за какое разумное время) на суперкомпьютерах более низкого класса. На базе таких расчетов можно создать в разных отраслях принципиально новые материалы, новые технологические решения, новые изделия, которые позволят обладающей ими стороне быть вне конкуренции [7].

Состав систем сверхвысокой производительности на современном этапе развития приведен на рисунке 8.

Сегодня в системах сверхвысокой производительности используются традиционные процессоры Intel и AMD, а также эксклюзивные решения – процессоры IBM Power BQC и SPARC64 Vlllfx.

Технические характеристики системной сети (темп выдачи сообщений, задержка, пропускная способность) оказывают большое влияние на реальную производительность суперкомпьютера. Для систем сверхвысокой производительности требуется системная сеть с рекордными техническими характеристиками [7].

:

Рисунок 8 – Состав систем сверхвысокой
производительности на современном этапе развития

Технические характеристики системной сети (темп выдачи сообщений, задержка, пропускная способность) оказывают большое влияние на реальную производительность суперкомпьютера. Для систем сверхвысокой производительности требуется системная сеть с рекордными техническими характеристиками.

Вычислительные системы сверхвысокой производительности нуждаются в нестандартной инфраструктуре (подсистемы охлаждения, энергоснабжения, управления):

• системы сверхвысокой производительности имеют высокие показатели электропотребления (от десятка мегаватт и выше), поэтому они имеют очень высокий уровень выделения тепла в вычислителе. В связи с этим наблюдается тенденция роста электропотребления и тепловыделения;
• стремление к максимальной производительности ведет к увеличению плотности расположения электроники вычислителя: (чем меньше длина проводников, тем меньше задержки на передачу сигналов и выше производительность) [13].

В результате в последние годы наблюдаются смена технологий охлаждения электроники вычислителей.

Основные направления развития процессоров приведены в таблице 2 [4].

Таблица 2 – Основные направления развития процессоров

Продолжение таблицы 2