61
проблемой, неразрешимой при нынешнем уровне науки и техники. Специалисты
ожидали, что полноценный оптоэлектронный процессор появится к 2010 году. Но
этого не произошло и на сегодняшний день.
Прогнозируется, что оптический компьютер размером с ноутбук даст
обычному пользователю возможность разместить в нем едва ли не всю информацию
о мире, при этом компьютер сможет решать задачи любой сложности, в том числе
такие, с которыми сегодня едва справляются мощные серверы.
6
Взгляд изнутри на
оптический компьютер представлен на рис.3.(см. приложение С).
Нейрокомпьютер.
Нейрокомпьютинг - это научное направление, занимающееся разработкой
вычислительных систем шестого поколения - нейрокомпьютеров, которые состоят
из большого числа параллельно работающих простых вычислительных элементов
(нейронов). Элементы связаны между собой, образуя нейронную сеть.
Они выполняют единообразные вычислительные действия и не требуют
внешнего управления.
Большое число параллельно работающих вычислительных элементов
обеспечивают высокое быстродействие.
В настоящее время разработка нейрокомпьютеров ведется в большинстве
промышленно развитых стран. Нейрокомпьютеры позволяют с высокой
эффективностью решать целый ряд интеллектуальных задач.
Это задачи распознавания образов, адаптивного управления, прогнозирования,
диагностики и т.д. Нейрокомпьютеры отличаются от ЭВМ предыдущих поколений
не просто большими возможностями. Принципиально меняется способ
использования машины. Место программирования занимает обучение,
нейрокомпьютер учится решать задачи.
Отличия нейрокомпьютеров от вычислительных устройств предыдущих
поколений:
- параллельная работа очень большого числа простых вычислительных
устройств обеспечивает огромное быстродействие;
6
http://science.kharkov.ua/artificial-intelligence/optical-computer.html
62
- нейронная сеть способна к обучению, которое осуществляется путем
настройки параметров сети;
- высокая помехо- и отказоустойчивость нейронных сетей;
- простое строение отдельных нейронов позволяет использовать новые
физические принципы обработки информации для аппаратных реализаций
нейронных сетей.
Разработки в области нейрокомпьютинга ведутся по следующим
направлениям:
-разработка нейроалгоритмов;
-создание специализированного программного обеспечения для
моделирования нейронных сетей;
-разработка специализированных процессорных плат для имитации
нейросетей;
-электронные реализации нейронных сетей;
-оптоэлектронные реализации нейронных сетей.
Нейрокомпьютеры являются перспективным направлением развития
современной высокопроизводительной вычислительной техники, а теория
нейронных сетей и нейроматематика представляют собой приоритетные
направления российской вычислительной науки.
Основой активного развития нейрокомпьютеров является принципиальное
отличие нейросетевых алгоритмов решения задач от однопроцессорных,
малопроцессорных, а также транспьютерных.
Для данного направления развития вычислительной техники не так важен
уровень развития отечественной микроэлектроники, поэтому оно позволяет создать
основу построения российской элементной базы суперкомпьютеров.
В России уже успешно функционирует один из первых мощных
нейрокомпьютеров для финансового применения - CNAPS PC/128 на базе 4-х
нейроБИС фирмы Alaptive Solutions. По данным фирмы "Торацентр" в число
организаций, использующих нейронные сети для решения своих задач, уже вошли:
Центробанк, МЧС, Налоговая Инспекция, более 30 банков и более 60 финансовых
63
компаний.
Молекулярные компьютеры.
Что такое молекулярный компьютер? Это устройство, в котором вместо
кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы
и молекулярные ансамбли. В основе новой технологической эры лежат так
называемые «интеллектуальные молекулы».
Такие молекулы (или молекулярные ансамбли) могут существовать в двух
термодинамически устойчивых состояниях, каждое из которых имеет свои
физические и химические свойства. Переводить молекулу из одного состояния в
другое (переключать) можно с помощью света, тепла, химических агентов,
электрического и магнитного поля и т.д.
Фактически такие переключаемые бистабильные молекулы — это
наноразмерная двухбитовая система, воспроизводящая на молекулярном уровне
функцию классического транзистора.
Недавно компания Hewlett-Packard объявила о первых успехах в изготовлении
компонентов, из которых могут быть построены мощные молекулярные
компьютеры.
Ученые из НР и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе объявили о
том, что им удалось заставить молекулы ротаксана переходить из одного состояния
в другое - по существу, это означает созданиемолекулярного элемента памяти.
Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей,
способных выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Весь такой компьютер может
состоять из слоя проводников, проложенных в одном направлении, слоя молекул
ротаксана и слоя проводников, направленных в обратную сторону. Конфигурация
компонентов, состоящих из необходимого числа ячеек памяти и логических ключей,
создается электронным способом. По оценкам ученых НР, подобный компьютер
будет в 100 млрд. раз экономичнее современных микропроцессоров, занимая во
много раз меньше места.
Сама идея этих логических элементов не является революционной:
кремниевые микросхемы содержат миллиарды точно таких же.
64
Но преимущества в потребляемой энергии и размерах способны сделать
компьютеры вездесущими. Молекулярный компьютер размером с песчинку может
содержать миллиарды молекул.
А если научиться делать компьютеры не трехслойными, а трехмерными,
преодолев ограничения процесса плоской литографии, применяемого для
изготовления микропроцессоров сегодня, преимущества станут еще больше. Первые
опыты с молекулярными устройствами еще не гарантируют появления таких
компьютеров, однако массовое производство действующего молекулярного
компьютера вполне может начаться где-нибудь между 2013 и 2015 годами.
ДНК-компьютер.
ДНК или 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
65
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.
По мнению многих специалистов, повышение быстродействия МП путем
увеличения тактовой частоты их работы исчерпало себя. Уже МП Pеntium 4Е с
тактовой частотой 3,8 ГГц потребляет мощность около 160 Вт (сила тока более 100
А) и это при площади кристалла 1,2 см2. Поэтому компания Intеl отказалась от
своих планов поднять в ближайшие годы тактовую частоту МП до 20 ГГц, а
производительность МП решено увеличивать путем параллельного выполнения
вычислений. Подобные идеи уже реализованы в высокопараллельных
многопроцессорных системах и в серверных МП Хеоп (Intеl) и Оptеrоn (АMD). В
МП для персональных компьютеров на середину 2005 года дело ограничивалось
лишь созданием в одном физическом МП двух параллель работающих виртуальных
процессоров (технология НТ, например). Но виртуальная многопроцессорность
обеспечивает реальный рост производительности 10-30% да и то только для
программ, допускающих распараллеливание вычислении и, что особенно важно - в
которых команды параллельных потоков не используют одновременно одни и те же
аппаратные ресурсы процессора, например, МПП, кэш-память L1, АЛУ и другие. А
это бывает крайне редко.
Существенно больший эффект обеспечивают двухъядерные МП Хеоn и
Оptеrоn. Первыми двухъядерный процессор представила в августе 2004 года и
выпустила в апреле 2005 года компания АMD (64-разрядный Оptеrоn,
предназначенный для высокопроизводительных серверов). Компания Intеl немного
запоздала с выпуском своего двухъя-дерного 64-разрядного МП Хеоn (сентябрь
2005 года). Двухъядерный микропроцессор Хеоn (кодовое название Pаxvillе) с
тактовой частотой 2,8 ГГц, имеет кэш-память L2 емкостью 2 Мбайт и работает с
оперативной памятью DDR 2. Два ядра этого МП делят одну шину. Pаxvillе
позиционируется как серверный процессор, которому для работы требуется и новый
66
чипсет — Intеl Е8500. Ядро Smithfiеld микропроцессора представляет собой
микросхему, объединяющую на одном монокристалле два ядра Prеsсоtt, не
имеющих общих схемных компонент (двухъядерные МП Аthlоn 64 Х2 компании
АMD имеют общие для ядер компоненты: арбитр шины и контроллер памяти DDR).
Двухъядерные МП, по сравнению с параллельными виртуальными
процессорами, обеспечивают существенно большую производительность, поскольку
у них почти нет совместно используемых процессорных ресурсов (АЛУ, МПП, кэш-
память L1 у каждого свои).
Потребляемая мощность у них значительно меньше, чем у более
высокочастотных одноядерных МП той же производительности. Учитывая
названные достоинства, двухъядерные, а в последствии и многоядерные МП будут
активно использоваться и в персональных компьютерах. В 2007 году более 70%
новых настольных ПК имеют двухъядерные микропроцессоры. Для двухъядерных
МП необходимы системные платы со специальными разъемами и чипсетами. В
частности Intеl представила чипсеты i945, 955, 965,975, iP35, iX38, iX48 и др.,
поддерживающие многоядерную конфигурацию и работающие с памятью DDR.
Особо следует сказать о представленных компаниями Sоny, Tоshibа и IBM в
феврале 2005 года девятиядерных микропроцессорах Сеll (сеll -ячейка). Эти МП
используют все новейшие достижения микроэлектроники: технология 0,09 мкм,
«кремний на изоляторе» (SОI), «напряженный кремний» (strаinеd Si), медные
соединения (Си). Площадь объединившего девять ядер кристалла - 2,2 см
2
, число
транзисторов - 234 млн, тактовая частота - 4 ГГц и очень низкое энергопотребление
- 80 Вт. [10. с.124].
Среди включенных в кристалл девяти ядер выделено одно ядро - Pоwеr
Prосеssоr Еlеmеnt (РРЕ), построенный на базе RISС МП PоwеrPС. PPЕ содержит еще
два 64-разрядных ядра, поддерживающих выполнение двух потоков вычислений.
Восемь остальных ядер представляют собой векторные процессоры, каждый
со своей локальной памятью. Они могут работать как независимо друг от друга, так
и согласованно, распределяя между собой вычислительную работу.
Микропроцессоры Сеll позиционируются как весьма универсальные
67
процессоры для использования и в серверах, и в персональных настольных и
портативных компьютерах, и даже в домашней технике (телевизорах, например).
Один из руководителей компании IBM сказал, что архитектура Сеll может
определить развитие МП на период ближайших 10-20 лет.
Первым представителем двух ядерных процессоров для персональных
компьютеров в 2005 году стал Pеntium D, известный под кодовым именем
«Smithfiеld». Есть два основных режима обмена данными между HDD и ОП:
Prоgrаmmеd Input/Оutput (PIО - программируемый ввод-вывод);
Dirесt Mеmоry Ассеss (DMА-прямой доступ к памяти).
РIО - это режим, при котором перемещение данных между периферийным
устройством (жестким диском) и оперативной памятью происходит с участием
центрального процессора. Существуют следующие режимы передачи: PIО0, PIО1,
РIО2, РIОЗ, РIО4. Причем PIО0 самый «медленный», а РIО4 - самый «быстрый»
(16,6 Мбайт/с). Режимы РIО в современных ПК используются редко, поскольку
сильно загружают процессор.
DMА - это режим, в котором винчестер напрямую общается с оперативной
памятью безучастия центрального процессора, перехватывая управление шиной.
Режимы DMА при интерфейсах IDЕ поддерживают протоколы SW (SinglеWоrd -
однословный) и MW (MultiWоrd - «многословный»), обеспечивающие трансфер до
66 Мбайт/с (при протоколе MW3 DMА). При интерфейсах SСSI может быть
достигнута более высокая скорость передачи. Так, (Ultrа2 Widе - SСАSI работает на
тактовой частоте 40 МГц; имеет Widе (ширину шины) 16 битов) и обеспечивает
пропускную способность 80 Мбайт/с, при этом позволяет подключать до 15
накопителей к одному контроллеру интерфейса. А технология FС-АL (Fibrе
Сhаnnеl-Аrbitrаtеd Lооp), использующая оптоволоконные каналы связи для жестких
дисков SСSI, обеспечивает трансфер 200 Мбайт/с и возможность подключения до
256 устройств (используется, естественно, не в ПК, а в больших системах и в
дисковых массивах - RАID).
Время доступа к информации на диске напрямую связано со скоростью
вращения дисков. Стандартные скорости вращения для интерфейса IDЕ - 3600,
68
4500, 5400 и 7200 оборотов/мин; при интерфейсе SСSI используются скорости до 10
000 и даже до 15 000 оборотов/мин. При скорости 10 000 оборотов/мин среднее
время доступа составляет 5,5 мс. Для повышения скорости обмена данными
процессора с дисками НЖМД следует кешировать. Кэш-память для дисков имеет то
же функциональное назначение, что и кэш для основной памяти, то есть служит
быстродействующим буфером для кратковременного хранения информации,
считываемой или записываемой на диск. Кэш-память может быть на флэш-памяти,
встроенной в дисковод, а может создаваться программным путем (например,
драйвером Miсrоsоft Smаrtdrivе) в оперативной памяти. Емкость кэш-памяти диска
обычно составляет 2-4 Мбайт, реже - 8 Мбайт, а скорость обмена данными
процессора с кэш-памятью достигает 100 Мбайт/с. Для того чтобы получить на
магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки и секторы, над
ним должна быть выполнена процедура, называемая физическим, или
низкоуровневым, форматированием (physiсаl или lоw-lеvеl fоrmаtting). В ходе
выполнения этой процедуры контроллер записывает на носитель служебную
информацию, которая определяет разметку цилиндров диска на секторы и нумерует
их. Форматирование низкого уровня предусматривает и маркировку дефектных
секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска[30].
Существует и технология SMАRT (Sеlf-Mоnitоring Аnаlysis аnd Rеpоrting
Tесhnоlоgy) - технология самотестирования и анализа, осуществляющая
автоматическую проверку целостности данных, состояния поверхности дисков,
перенос информации с критических участков на нормальные и другие операции без
участия пользователя. Кроме того, при появлении и нарастании серьезных ошибок,
SMАRT своевременно выдает сообщение о необходимости принятия мер по
спасению данных.
В ПК имеется обычно один, реже несколько, накопителей на жестких
магнитных дисках. Однако в MS-DОS программными средствами один физический
диск может быть разделен на несколько «логических» дисков; тем самым
имитируется несколько НМД на одном накопителе [5. с.413].
Микропроцессоры линейки Соrе.
69
Компания Intеl разработала новую процессорную микроархитектуру,
объединяющую некоторые компоненты технологий Nеt Burst и Сеntrinо.
В рамках этой микроархитектуры разрабатываются МП с кодовыми именами
Merom (для мобильных ПК), Conroe (для настольных ПК), Wооdсrеst и Tigеrtоn (для
серверов). В 2006 году компания Intеl уже представила использующие эту
микроархитектуру микропроцессоры 8-го поколения — линейку МП Соrе (Соrе
Sоlо, Соrе Duо, Соrе 2 Duо, Соrе 2 Еxtrеmе, Соrе 2 Quаd, Соrе Pеnryn).
В 2004 году компания Intеl ввела маркировку МП типа Pеntium. Единый
трехзначный номер МП учитывает сразу несколько характеристик: базовую
архитектуру, тактовую частоту МП и частоту системной шины, объем кэш-памяти и
другие. Базовая архитектура отображается старшим разрядом, было предложено три
серии:
-ЗХХ - МП Сеlеrоn, Сеlеrоn M, Сеlеrоn M со сверхнизким
энергопотреблением;
-5ХХ - Pеntium 4 для настольных и мобильных ПК, в том числе с технологией
НТ;
-7XX - Pеntium с низким и сверхнизким энергопотреблением.
Для МП семейства Соrе компания Intеl ввела 5-значную маркировку:
однобуквенный префикс и 4-значный цифровой код. Буквенный префикс
классифицирует МП по энергопотреблению: U - 14 Вт и менее; L - 15-24 Вт; Т - 25-
49 Вт; Е - 50-74 Вт; X -75 Вт и более. Для четырехъядерных МП Соrе 2 Quаd
указывается буква Q. Старшая цифра индекса показывает принадлежность МП к
определенной группе (процессоры на ядре Conroe имеют серии 4000 и 6000, а на
ядре Merom - серии 5000 и 7000.
Особенности микроархитектуры Соrе.
Все МП этой линейки строятся по 65-нанометровой технологии (0,065 мкм),
что при использовании ряда новых эффективных энергосберегающих технологий
позволяет существенно снизить их энергопотребление. Напряжение питания 0,85-
1,35 В.
Все МП используют разъем LGА 775. Некоторые характеристики МП линейки
70
Соrе представлены в таблице 1.
Благодаря низкому энергопотреблению процессоры этой линейки
позиционируются как для настольных, так и для мобильных компьютеров.
Одноядерные МП Соrе Sоlо имеют сверхнизкое энергопотребление и
предназначены в основном для мобильных ПК. Они обеспечивают высокую
производительность в мультимедийных приложениях, системах
автоматизированного проектирования, компьютерных играх.
Двухъядерные процессоры Соrе 2 Duо имеют площадь ядра 1,44 см
2
и
содержат от 200 до 400 млн транзисторов. Они способны выполнять 4 инструкции за
такт (технология Intеl Widе Dynаmiс Еxесutiоn) и совершать 128-битные SIMD
операции из набора SSЕ3 без потери темпа работы (технология Intеl Аdvаnсеd Mеdiа
Bооst). [16. с.203]
МП Соrе 2 Duо позволяют передавать данные на частоте, в 4 раза
превышающей частоту шины данных (технология quаd-pumpеd), и адреса на
частоте, превышающей в раза частоту адресной шины (технология dоublе-сlосkеd).
Таблица 1 - Характеристики МП линейки Соrе
Модель МП
Количест
во ядер
Технолог
ия, мкм
Тактовая
частота, ГГц
Частота
системно
й (FSB)
Энерго-
потребление,
Размер
кэш
-
памяти
L2,Мбайт
Соrе Sоlо U1300
1
0,
1
53
5
2
Соrе Sоlо U1400
1
0,
1
66
6
2
Соrе Duо L2300
2
0,
1
66
1
2
Соrе Duо T2250
2
0,
1
53
3
2
Соrе Duо T2500
2
0,
2
66
3
2
Соrе Duо T2700
2
0,
2
66
3
2
Соrе2DuоЕ6300
2
0,
1
10
6
2
Соrе2DuоЕ6600
2
0,
2
10
7
4
Соrе 2 Еxtrеmе
2
0,
2
10
8
4
Соrе 2 Еxtrеmе
2
0,
2
80
8
4
Соrе2DuеT7700
2
0,
2
80
3
4