Перспективы развития персональных компьютеров

Одни процессоры машины называют центральными, другие – периферийными. К периферийным относят процессоры, предназначенные для ввода или  вывода информации. Способы контакта и обмена с ними в реальных ЭВМ  очень разнообразны. Но общий принцип  действия всех процессоров одинаков. Идея, в соответствии с которой ЭВМ рассматривается как система процессоров, и связанное с этой идеей выделение в особую категорию контактных ЗУ, оказалась очень плодотворной.

Одной из плодотворных находок  явилась система прерываний –  замечательный союз программных  и аппаратных (внутримашинных) средств, предназначенных для быстрой реакции машины на чрезвычайные события. Действия этой системы направлены на то, чтобы «зафиксировать» ситуацию, имеющую место в ЭВМ в момент возникновения прерывания. Под прерыванием, таким образом, понимается временное прекращение выполнения текущей программы центральными устройствами ЭВМ с запоминанием точки, в которой прервана данная программа со всей относящейся к ней информацией (адресом команды, на которой произошло прерывание, результатом предыдущей операции и т.д.), и одновременный переход к выполнению другой программы. Программа, прерванная ранее и находящаяся в состоянии «ожидания», может вернуться в состояние «счет» после устранения причины, вызвавшей ее прерывание.

Современные цифровые машины обладают еще многими другими  устройствами, повышающими их эффективность  и удобство применения. Большой интерес, например, представляют ЭВМ, содержащие в своем составе несколько  центральных процессоров. Такие  ЭВМ называются многопроцессорными, что, кстати говоря, не очень удачно, потому что любые ЭВМ являются многопроцессорными.

За счет большого числа  центральных процессоров среднее  число операций, которые может  выполнять ЭВМ в единицу времени, т.е. быстродействие машины, возрастает. Для многопроцессорной ЭВМ программу  решения задач иногда можно составить  так, чтобы различные части этой программы выполняли разные центральные  процессоры.

Составление таких программ получило название параллельного программирования (точнее: программирование с расчетом на параллельное выполнение программ). Поскольку ЭВМ представляет собой  систему процессоров, то можно говорить о «коллективе исполнителей». Обработка информации осуществляется по программе, которая представляет собой последовательность команд, направляющих работу компьютера. Команда состоит из кода операции и адреса. Код операции сообщает микропроцессору, что нужно сделать, какую выполнить операцию: сложить, сравнить, переслать и очистить. Адрес указывает место, где находятся данные, подлежащие обработке. Команды бывают безадресные, одноадресные и двухадресные.

Развитие микропроцессора  происходит в процессе повышения  тактовой частоты. Для повышения тактовой частоты при выбранных материалах используются: более совершенный технологический процесс с меньшими проектными нормами; увеличение числа слоев металлизации; более совершенная схемотехника меньшей каскадности и с более совершенными транзисторами, а также более плотная компоновка функциональных блоков кристалла. Так, все производители микропроцессоров перешли на технологию КМОП, хотя Intel, например, использовала БиКМОП для первых представителей семейства Pentium. Известно, что биполярные схемы и КМОП на высоких частотах имеют примерно одинаковые показатели тепловыделения, но КМОП-схемы более технологичны, что и определило их преобладание в микропроцессорах.

Уменьшение размеров транзисторов, сопровождаемое снижением напряжения питания с 5В до 2,5-3В и ниже, увеличивает быстродействие и уменьшает  выделяемую тепловую энергию. Все производители  микропроцессоров перешли с проектных  норм 0,35-0,25мкм на 0,18мкм и 0,12мкм  и стремятся использовать уникальную 0,07мкм технологию (см. Таблица 2.1).

Таблица 2.1 – Тенденции изменений характеристик памяти

При минимальном размере  деталей внутренней структуры интегральных схем 0,1-0,2мкм достигается оптимум, ниже которого все характеристики транзистора  быстро ухудшаются. Практически все  свойства твердого тела, включая его  электропроводность, резко изменяются и «сопротивляются» дальнейшей миниатюризации, возрастание сопротивления связей происходит экспоненциально. Потери даже на кратчайших линиях внутренних соединений такого размера «съедают» до 90% сигнала  по уровню и мощности.

Уменьшение длины межсоединений актуально для повышения тактовой частоты работы, так как существенную долю длительности такта занимает время прохождения сигналов по проводникам внутри кристалла. Например, в Alpha 21264 предприняты специальные меры по кластеризации обработки, призванные локализовать взаимодействующие элементы микропроцессора. Проблема уменьшения длины межсоединений на кристалле при использовании традиционных технологий решается путем увеличения числа слоев металлизации. Так, Cyrix при сохранении 0,6 мкм КМОП технологии за счет увеличения с 3 до 5 слоев металлизации сократила размер кристалла на 40% и уменьшила выделяемую мощность, исключив существовавший ранее перегрев кристаллов.

Одним из шагов в направлении  уменьшения числа слоев металлизации и уменьшения длины межсоединений стала технология, использующая медные проводники для межсоединений внутри кристалла, разработанная фирмой IBM и используемая в настоящее время и другими фирмами-изготовителями СБИС. В настоящее время ряд фирм выпускает процессоры для персональных компьютеров с тактовой частотой свыше 4 ГГц.

2.4 Компьютеры будущего

Технология микропроцессоров уже приближается к фундаментальным  ограничениям. Следуя закону Мура, к 2014-2020 годам размеры транзистора должны уменьшиться до четырех-пяти атомов. Рассматриваются многие альтернативы, но, если они не будут реализованы в массовом производстве, закон Мура перестанет работать. Этот закон (вернее, прогноз соучредителя Intel Гордона Мура) гласит, что плотность транзисторов в микросхеме удваивается каждые полтора года, и все последние 20 лет он выполнялся. Если в начале нового столетия пост производительности микропроцессоров прекратится, в вычислительной технике наступит стагнация. Но возможно, что вместо этого произойдет технологический скачок с тысячекратным увеличением мощности компьютеров.

Целый ряд технологий получит необходимое развитие, разработки в одних областях помогут продвижению других. Инженер РэйКурцвейл (RayKurzweil) называет это «законом взаимного усиления выгод». Когда в развитии какой-то области происходит скачок, время между открытиями сокращается и предыдущие достижения накладываются на следующие, что еще больше ускоряет прогресс.

Процессоры и платформы Intel будут выделяться не только высокой производительностью самой по себе, но также богатыми и разнообразными вычислительными и коммуникационными возможностями, управлением питанием, повышенной надежностью, безопасностью и управляемостью, а также полной интеграцией со всеми остальными компонентами платформы.

К технологиям, способным  экспоненциально увеличивать обрабатывающую мощность компьютеров, следует отнести  молекулярные или атомные технологии; ДНК и другие биологические материалы; трехмерные технологии; технологии, основанные на фотонах вместо электронов; и  наконец, квантовые технологии, в  которых используются элементарные частицы. Если на каком-нибудь из этих направлений удастся добиться успеха, то компьютеры могут стать вездесущими. А если таких успешных направлений  будет несколько, то они распределятся  по разным нишам. Например, квантовые  компьютеры будут специализироваться на шифровании и поиске в крупных  массивах данных, молекулярные – на управлении производственными процессами и микромашинах, а оптические – на средствах связи.

Возможности современного производства пока не позволяют наладить недорогое  массовое изготовление подобных устройств. Однако многие ученые уверены в том  что решение будет найдено. Уже  есть свидетельства определенного  взаимного усиления выгод по Курцвейлу. Например, эффективность «генетических чипов» удалось повысить (а стоимость – понизить) благодаря использованию других чипов, содержащих полмиллиона маленьких зеркал, – первоначально они предназначались для оптических систем связи. Точно так же микромашины (micro-electro-mechanicalsystems, MEMS) изготавливаются с применением технологии травления, разработанной для производства электронных микросхем. В этих устройствах датчики сочетаются с микроприводами, что позволяет им выполнять физические действия. Возможно даже, что MEMS помогут в создании компьютеров атомных размеров, необходимых для квантовых вычислений.

В 21 веке вычислительная техника сольется не только со средствами связи и машиностроения, но и с биологическими процессами, что откроет такие возможности, как создание искусственных имплантантов, интеллектуальных тканей, разумных машин, «живых» компьютеров и человеко-машинных гибридов. Если закон Мура проработает еще 10 лет, уже в 2020 году компьютеры достигнут мощности человеческого мозга – 20 000 000 миллиардов операций в секунду (это 100 млрд. нейронов умножить на 1000 связей одного нейрона и на 200 возбуждений в секунду). А к 2060 году компьютер сравняется по силе разума со всем человечеством. Одной вероятности подобной перспективы достаточно, чтобы отбросить любые опасения по поводу применения био- и генной инженерии для расширения способностей человека.

Однако для этого вычислительная техника будущего столетия должна вобрать  в себя некоторые новейшие технологии. Ниже приводится обзор нескольких новых  технологий и процессов, способных  не только обеспечить продолжение действия закона Мура, но и превратить его  из линейного в прогрессирующий.

Первые опыты с молекулярными  устройствами еще не гарантируют  появления таких компьютеров, однако это именно тот путь, который предначертан всей историей предыдущих достижений. Массовое производство действующего молекулярного  компьютера вполне может начаться где-нибудь между 2012 и 2017 годами.

Биокомпьютеры. Применение в вычислительной технике биологических  материалов позволит со временем уменьшить  компьютеры до размеров живой клетки. Пока эта чашка Петри, наполненная  спиралями ДНК, или нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим  проводам. По существу, наши собственные клетки – это не что иное, как биомашинымолекулярного размера, а примером биокомпьютера, конечно, служит наш мозг.

Ихуд Шапиро (EhudShapiro) из Вейцманоского института естественных наук соорудил пластмассовую модель биологического компьютера высотой 30 см. Если бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул, его размер был бы равен размеру одного из компонентов клетки – 0,000025 мм. По мнению Шапиро, современные достижения в области сборки молекул позволяют создавать устройства клеточного размера, которое можно применять для биомониторинга.

Более традиционные ДНК-компьютеры в настоящее время используются для расшифровки генома живых  существ. Пробы ДНК применяются  для определения характеристик  другого генетического материала: благодаря правилам спаривания спиралей ДНК, можно определить возможное  расположение четырех базовых аминокислот (A, C, T и G). Чтобы давать полезную информацию, цепочки ДНК должны содержать по одному базовому элементу. Это достигается при помощи луча света и маски. Для получения ответа на тот или иной вопрос, относящийся к геному, может потребоваться до 80 масок, при помощи которых создается специальный чип стоимостью более 12 тыс. дол. Здесь-то и пригодилась микросхема DMD от TexasInstruments: ее микрозеркала, направляя свет, исключают потребность в масках.

Билл Дитто (BillDitto) из Технологического института штата Джорджия провел интересный эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи. Вероятно, биологические компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, в отличие от кремниевых устройств, смогут искать нужные решения посредством самопрограммирования. Дитто намерен использовать результаты своей работы для создания мозга роботов будущего.

Оптические компьютеры. По сравнению с тем, что обещают  молекулярные или биологические  компьютеры, оптические ПК могут показаться не очень впечатляющими. Однако ввиду  того, что оптоволокно стало предпочтительным материалом для широкополосной связи, всем традиционным кремниевым устройствам, чтобы передать информацию на расстояние нескольких миль, приходится каждый раз  преобразовывать электрические  сигналы в световые и обратно.

Эти операции можно упростить, если заменить электронные компоненты чисто оптическими. Первыми станут оптические повторители и усилители  оптоволоконных линий дальней связи, которые позволят сохранять сигнал в световой форме при передаче через все океаны и континенты. Со временем и сами компьютеры перейдут на оптическую основу, хотя первые модели, по-видимому, будут представлять собой  гибриды с применением света  и электричества. Оптический компьютер  может быть меньше электрического, так как оптоволокно значительно  тоньше (и быстрее) по сравнению с  сопоставимыми по ширине полосы пропускания  электрическими проводниками. По существу, применение электронных коммутаторов ограничивает быстродействие сетей  примерно 50 Гбит/с. Чтобы достичь  терабитных скоростей потребуются  оптические коммутаторы (уже есть опытные  образцы). Это объясняет, почему в  телекоммуникациях побеждает оптоволокно: оно дает тысячекратное увеличение пропускной способности, причем мультиплексирование  позволяет повысить ее еще больше.