Перспективы развития микропроцессоров

Биохимические и органические решения.

Сегодня биофизики обнаружили уже более пятидесяти соединений, на основе которых могут быть построены процессоры-модели различных нелинейных задач. Отдельного внимания заслуживают разработки нового типа процессора - белкового.

Управление у белкового процессора химическое: воздействуя на него различными веществами, можно регулировать законы распространения волны - получить волну, развитие которой описывается теми же уравнениями, что и исследуемые процессы. Словом, с помощью таких процессоров можно моделировать нелинейные задачи, недоступные сегодня даже самым быстродействующим компьютерам. Причем решение получается в считанные секунды. Ведь ответ на задачу - поведение самой волны.21

Каждая частица белка на подложке процессора имеет диаметр всего в 50 мкм и занимает площадь меньшую, чем транзистор на подложке интегральной микросхемы. Можно подсчитать: на подложке площадью в одинквадратный сантиметр умещается 1012 таких вычислительных белковых ячеек. В образование волны за одну секунду вовлекаются 1012 частиц. Если пересчитать это на скорость вычислений обычной, цифровой вычислительной машины, получится весьма хорошее быстродействие - миллион операций в секунду. Это, кстати, если волна движется со скоростью всего, лишь в одну десятую миллиметра в секунду. А ведь движение может быть и быстрее - скорость распространения волны зависит от веществ, входящих в состав белков. Сама волна, как сказано выше - решение задачи. Но как прочесть это решение? Ученые решили и эту проблему. Им удалось сделать волну зримой. То есть ее движение сопровождает либо изменение цвета, либо излучение световых волн. Так что за волной-ответом можно с высокой точностью следить с помощью оптических устройств. Уже сегодня можно говорить

о новом поколении вычислительных устройств- гибридах электронной техники и биологии. И не будем забывать: работа биофизиков по созданию живых вычислителей сегодня в самом начале.     

Квазимеханические решения на основе нанотрубок.

Углеродные нанотрубки (НТ) - своеобразные цилиндрические молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. Эти полимерные системы впервые обнаружили менее 10 лет назад как побочные продукты синтеза.22 Тем не менее уже сейчас на основе углеродных нанотрубок создаются электронные устройства нанометрового (молекулярного) размера. Ожидается, что в обозримом будущем они заменят элементы аналогичного назначения в компьютерах. В результате будет достигнут теоретический предел плотности записи информации (порядка одного бита на молекулу) и вычислительные машины обретут практически неограниченную память и быстродействие, лимитируемое только временем прохождения сигнала через прибор.

Существует 2 основных типа нанотрубок: одностенные нанотрубки ОСНТ (single-walled nanotubes - SWNT), у которых одна оболочка из атомов углерода, и многостенные МСНТ (multi-walled nanotubes - MWNT), которые состоят из множества сгруппированных углеродных трубок. Нанотрубки склонны крепко слипаться между собой, формируя набор или “канат”, состоящий из металлических и полупроводниковых нанотрубок. Металлические проводящие ток нанотрубки могут выдерживать плотности тока в 100 раз выше, чем обычные металлы, а полупроводниковые нанотрубки можно электрически включать и выключать посредством поля, генерируемого электродом, что позволяет создавать полевые транзисторы.

Квантовые компьютеры.

Фейнман высказал мысль о том, что квантовые задачи должен решать квантовый компьютер: природе задачи должен соответствовать способ ее решения. И предложил один из вариантов квантового компьютера. Но настоящий бум начался в 1995 году, когда американский математик Шор переложил для квантового компьютера алгоритм вычисления простых множителей больших чисел.

Шор показал, что если классический компьютер для нахождения множителей числа из 1000 двоичных знаков должен сделать 2 в степени 1000 операций, то квантовому компьютеру для этого понадобится всего 1000 в степени 3 операций.

Компьютер на ядерно-магнитном резонансе.

Теоретических моделей квантового компьютера множество. Проблема, скорее, в том, чтобы найти разумные пути создания реального прибора. Существует как минимум два подхода к осуществлению идеи такого устройства. Ученые, сами того не предполагая, уже создали квантовый компьютер. Его первый «опытный образец» - это импульсный ядерный магнитно-резонансный (ЯМР) спектрометр высокого разрешения. При воздействии импульсом на резонансной частоте одного из ядер оно начинает эволюционировать, остальные же ядра «молчат». Для того чтобы заставить эволюционировать второй атом, надо взять другую частоту и дать импульс на ней. Иными словами, процесс вычислений управляется импульсами переменного магнитного поля, - нужно только написать алгоритм поставленной задачи.    

Компьютер на ионных ловушках.

Этот подход основан на использовании ионных ловушек, или «подвешенных» в вакууме ионов. Больше всего экспериментов по квантовым вычислениям с использованием таких кристаллов предложили ученые Инсбрукского университета в Австрии, а осуществили их больше всего ученые из Лос-Аламосской лаборатории в США. И оказалось, что больших кристаллов не удается получить, на сегодняшний день получена цепочка из 30 ионов. Но дальнейший прогресс в увеличении числа ионов связывают с созданием трехмерной лазерной стоячей волны созданием  трехмерной лазерной стоячей волны - трехмерной совокупности точек с минимумами потенциальной энергии для поляризованных атомов. Конечно, в этом направлении очень много работы, но само направление - верное.

Квантовый компьютер на твердом теле.

Это могут быть сверхпроводники, как предлагают ученые из Института Ландау. Предпочтительнее же подход, который в позапрошлом году высказал австралийский физик Кейн: делать квантовый компьютер на точно таком же кремнии, на котором сегодня работает традиционная микроэлектроника. В нужных местах на расстояниях порядка 100 мкм располагают атомы фосфора - обычная примесь в кремнии, которая прекрасно изучена. Если на таком расстоянии расположить два атома фосфора, то облака внешних электронов немного пересекутся, что необходимо для их взаимодействия, и атомы смогут обмениваться состояниями (один атом управляет электронами другого). Очень похоже на полевой транзистор - те же затворы, только вместо тока - состояния атома.

 

Глава 3. Сравнительные характеристики процессоров

 

3.1 Процессоры Intel на ядре Clarkdale

Ценовое позиционирование двухъядерного CPU Intel Core i3-530 представляется намного более взвешенным и обоснованным по сравнению с его собратом Intel Core i5-661. Недорогой Intel Core i3-530 унаследовал от линейки Clarkdale поддержку технологии Intel Hyper-Threading с возможностью создания виртуальных ядер, интегрированный контроллер памяти DDR3 и большой потенциал производительности, заложенный в новейшей архитектуре Intel. Уникальность процессоров на ядре Clarkdale состоит в том, что они содержат два кристалла: на одном располагаются два 32 нм вычислительных ядра Westmere и кэш-память, а на другом 45 нм графическое ядро, встроенный контроллер памяти и контроллер PCI Express. Процессоры на ядре Clarkdale работают на Socket LGA1155 и Socket LGA1156 платформах, однако использовать возможности встроенного графического ядра позволяют только материнские платы с сокетом LGA1155.

Краткая характеристика процессоров линейки Clarkdale показаны в таблице 1.

Таблица 1. Краткая характеристика процессоров Intel линейки Clarkdale.

 

Модель	Ядер	Потоков	Номинальная частота ядра	Частота Turbo	Кэш L3	Потребление энергии	Цена $
Core i3-530	2	4	2.93 ГГц	-	4 Мб	73 Вт	113
Core i5-661	2	4	3.33 ГГц	3.60 ГГц	4 Мб	87 Вт	196
Core i7-920	4	8	2.66 ГГц	2.93 ГГц	8 Мб	130 Вт	284

 

Относительно недорогой Intel Core i3-530 инженеры Intel лишили возможности при определённых условиях автоматически поднимать тактовую частоту – такую функциональность обеспечивает технология Intel Turbo Boost. Правда, при этом его стандартная частота составляет немалые 2,93 ГГц, что само по себе неплохо. Тепловой пакет Intel Core i3-530 заявлен на уровне 73 Вт и соответствует аналогичному показателю других моделей линейки, за исключением Intel Core i5-661 87 Вт (в данном случае повышенное тепловыделение обусловлено более высокой частотой работы встроенного видеоядра, которая составляет 900 МГц – против 733 МГц у других моделей).23 В тестировании участвовали оба процессора, а также CPU Intel Core i7-920.

 

3.2 Процессоры AMD

Спустя некоторое время после дебюта процессоров Intel на ядре Clarkdale компания AMD провела масштабное обновление практически всей своей линейки процессоров. Обращают на себя внимание сразу два обстоятельства: во-первых, были представлены одновременно пять новых моделей CPU; во-вторых, по сравнению с предыдущими моделями, тактовая частота была повышена всего на 100 МГц. Таким образом, обновление происходило широким фронтом и сопровождалось небольшим снижением цены в сочетании с некоторыми улучшениями. CPU серии Athlon II X2 базируются на появившемся сравнительно недавно кристалле Regor с двумя вычислительными ядрами (как у некоторых CPU Phenom II), для каждого из которых предусмотрена индивидуальная кэш-память второго уровня объёмом 1 МБ. Эти CPU лишены кэша L3, что является характерной          

особенностью всего модельного ряда Athlon II. Потенциал разгона процессоров Regor не поражает воображение, зато сам кристалл имеет небольшие размеры и характеризуется низким энергопотреблением в сочетании с малой себестоимостью. Так, AMD Athlon II X2 255 тактован на 3,1 ГГц, имеет TDP 65 Вт и стоит всего $74 – неплохое сочетание цены и качества.

Как бы то ни было, трёхъядерники и четырёхъядерники от AMD являются достойными соперниками для семейства Intel Core i3. Хотя AMD пока не может обеспечить тот же уровень вычислительной мощности с помощью двух ядер, она вполне способна предложить за те же деньги большее количество процессорных ядер с некоторыми издержками в виде повышенного энергопотребления и тепловыделения . Тестировались: Athlon II Х3 440, Athlon II Х4 635, Phenom II Х4 965 (таблица 2).

Таблица 2. Краткая характеристика процессоров AMD

Модель	Ядер	Номинальная частота ядра	Кэш верхнего уровня	Потребление энергии	Цена $
Athlon II X3 440	3	3.0 ГГц	3х512 Кб L2	95 Вт	84
Athlon II Х4 635	4	2.9 ГГц	4х512 Кб L2	95 Вт	119
Phenom II Х4 965	4	3.4 ГГц	6 Мб L3	125 Вт	195

 

3.3 Сравнение характеристик

Тестовое ПО: SiSoft Sandra 2010.1.16.11, Prime95, Stream Memory Bandwidth, 64-битная версия CPU-Z 1.52.2, WorldBench 6 Gold, Valve  VRAD map build benchmark, Panorama Factory, Cinebench. Использованное программное обеспечение, представляется в широком доступе. Для большинства тестов использовался режим питания «сбалансированный» (Balanced), подразумевающий включение энергосберегающих функций SpeedStep и Cool'n'Quiet. Тестирование показало, что включение SpeedStep и Cool'n'Quiet не влияет негативно на производительность современных CPU.24 Это особенно актуально с учётом того, что в большинстве случаев современные компьютерные системы используют эти режимы. Единственным случаем, когда функции энергосбережения были отключены, стало измерение задержки кэш-памяти; в остальных ситуациях их отключение не имело смысла.

Для обеспечения чистоты эксперимента и получения объективных данных были приняты все необходимые меры. Проход каждого теста осуществлялся три раза с последующим усреднением полученных данных.

Общая производительность системы.

С недавнего времени в составе тестового программного обеспечения появился пакет PC WorldBench. При работе с ним возникали ситуации, когда невозможно было получить повторяющихся устойчивых результатов. Было обнаружено, что WorldBench проявляет крутой нрав и периодически отказывается корректно работать. Также было замечено, что в одних и тех же тестах могут получаться разные результаты, и далеко не всегда это обусловлено различием в уровне производительности процессоров. Некоторые бенчмарки в составе PC WorldBench 6, такие как Windows Media Encoder 9, не оптимизированы под многопоточность, хотя современные версии подобного рода приложений в большинстве своём умеют использовать все преимущества многоядерности/многопоточности. По этой причине было решено воспользоваться только некоторыми тестами в составе PC WorldBench.

Тестовый модуль MS Office Productivity помогает получить представление о реальной производительности системы при работе с приложениями офисного пакета Microsoft Office 2003 SP-1 (Приложение А, Таблица 3). В ходе тестирования осуществлялось симулирование работы в многозадачной среде посредством переключения между несколькими офисными приложениями. В данном случае польза от дополнительных вычислительных ядер минимальна, поэтому результаты для различных моделей разнятся не более чем на 20%.

Одновременная работа с Firefox и Windows Media Encoder.

В тесте выполняется кодирование видео в фоновом режиме с активным интернет-браузером Firefox (Приложение А, Таблица 4). Работа ещё одного приложения в фоновом режиме незначительно отразилась на результатах предыдущего теста.