использовании 64-разрядных приложений, которые, к сожалению, еще мало
развиты. Однако, данные процессоры имеют достаточно большую
производительность благодаря новой архитектуре по сравнению с
предыдущими линейками производителей.
Кроме того, наличие у них двух, трех или четырех ядер позволяет
повысить производительность, несмотря иногда на сравнительно небольшие
тактовые частоты. Тем более, сейчас становится всё больше приложений,
которые поддерживают многопоточную обработку данных. Цена таких
процессоров уменьшается, уже сейчас можно приобрести всего за несколько
тысяч рублей довольно производительный процессор линейки AMD или Intel с
поддержкой 64-разрядных приложений, несколькими ядрами и системой
охлаждения в придачу. Это также очень хорошая тенденция.
В будущем, если не будет изобретено принципиально новой
процессорной технологии, микропроцессоры будут развиваться по пути
увеличения количества ядер, совершенствования архитектуры. Так, применение
45 нм технологии позволяет использовать больше транзисторов в одном
«камне».
На смену устаревшему семейству IntelCore 2 Duo пришли новые
процессоры Intel серий Core i3, i5 и i7. Они обзавелись микроархитектурой
SandyBridge и производятся по 32-нанометровому техпроцессу. Также 14
октября 2011 года увидел свет новейший шестиядерный процессор IntelCore i7-
3960X на базе архитектуры SandyBridge-E, являющийся на сегодняшний день
самым быстрым CPU от компании Intel для домашних пользователей43.
Не так давно стало известно, что компания MediaTek собирается
презентовать новый 8-ядерный процессор МТ6592. Чип этого процессора
действительно является 8-ядерным, поскольку конкуренты применяют
архитектуру Armbig.LITTLE, который может работать только как 4-ядерный. В
настоящее время новый процессор уже проходит тестирование.
43 Брукшир, Дж. Информатика и вычислительная техника [Текст] / Дж. Брукшир. - СПб.: Питер, 2012. - С. 357
358.
45
Сравнительная характеристика процессоров приведена в приложении Г.
В компании AMD уже давно ведутся разработки технологии по
объединению микропроцессора и графического чипа. Таким образом,
центральный процессор ПК может быть теперь и выполняющим функции
графического процессора с довольно неплохой производительностью. Конечно,
существуют пределы возможностей развития процессоров, которые
обусловлены законами физики, в частности еще много проблем, связанных с
тепловыделением процессоров. Однако точно можно сказать, что в ближайшем
будущем, учитывая огромное финансирования данной отрасли, можно ожидать
новых, еще более высокопроизводительных процессоров с сотнями миллионов
транзисторов уже года через три.
Г оворя о перспективах микропроцессоров нельзя не упомянуть развитие
графических чипов. В сфере устройств компьютерной графики постоянно идет
борьба двух извечных конкурентов - ATI (теперь уже AMD) и NVIDIA. Темпы
развития отрасли графических адаптеров очень и очень высоки, ведь новое
поколение графических адаптеров сменяет предыдущее в среднем - раз в
полтора года.44
Поэтому многие из тех, кто не имеет возможности регулярно отслеживать
события, происходящие в настоящее время на рынке компьютерной графики,
уверены, что там царит самый настоящий хаос, и разобраться в ситуации не
специалисту очень сложно.45
Сегодня в компьютерных магазинах можно встретить более сотни
различных реализаций видеокарт, полученных путем самых причудливых
комбинаций, самых разных типов графических чипов и видеопамяти, их
рабочих частот и разрядности шин.46
Операционные системы следующего поколения, начиная с WindowsVista,
будут использовать графический API нового типа, который получил условное
44Компьютерра: все новости про компьютеры, железо, новые технологии, информационные технологии.
Официальный сайт. 15.09.2016 [Электронный ресурс] // Официальный сайт http://www.computerra.ru/
45Барановская, Т.П. Архитектура компьютерных систем и сетей [Текст] / Т.П. Барановская, В.И. Лойко, М.И.
Семенов, А.И. Трубилин. - М.: Финансы и статистика, 2012. - С. 167.
46 Сайков, Б.П. Сбои компьютера: диагностика, профилактика, лечение [Текст] / Б.П. Сайков. - М.: Лаборатория
Базовых Знаний, 2013. - С. 91.
46
обозначение WGF 2.0 (бывший DirectX 10). А совсем недавно была
анонсирована новая версия графического API - DirectX 11 (уже используется с
Windows 7 и Windows 10). От уже известного нам 10го она, по заверению
производителя отличается низкоуровневой поддержкой аппаратного
обеспечения, улучшенной многопоточной обработкой, новыми этапами
аппаратной обработки изображения для тесселяции, улучшенным сжатием
текстур, в ней будет новая ShaderModel 5.0 и вычислительные шейдеры
(Computeshader). Также существую ряд некоторых других новинок.
Стараниями ATI и Microsoft, в основу этого графического интерфейса,
заложен принцип унификации шейдерных операций на программном уровне,
реализовать которую будут способны графические процессоры с
принципиально новой, унифицированной архитектурой, в которой не будет
разделения на пиксельные и вершинные шейдеры.47 За распределением
нагрузки следит специальный блок, динамически определяющий, что в данный
момент требует первоочередной обработки - вершины или пиксели. ATI (AMD)
уже давно решила, что за унифицированной архитектурой будущее, так как для
своего чипа C1 (или Xenos), который стало сердцем графической подсистемы
игровой консоли Xbox 360, канадская компания выбрала именно такую
архитектуру. Чип содержит 16 блоков выборки значений из текстур и 48
универсальных конвейеров, которые смогут выполнять как пиксельные
операции, так и вершинные. На его базе, были выпущены по-настоящему
революционного семейства видеочипы серии R6xx.
В продолжение темы и говоря о производительности ПК следует
вспомнить давно известную истину - производительность всего компьютера
всегда ограничивается скоростью его самого медленного элемента. Такой
элемент будет тормозить работу всей системы, какой бы она мощной не была.
Таким своеобразным слабым звеном компьютера сейчас, на взгляд Автора
является жесткий диск. Не добавляют компьютеру скорости и различные
47Соломенчук, В.Д. Железо ПК [Текст] / В.Д. Соломенчук, Н.Д. Соломенчук. - СПб.: БХВ-Петербург, 2012. - С.
144.
47
внешние накопители. Развитие микропроцессоров, оперативной памяти,
графических чипов уже сейчас находится на сравнительно высоком уровне,
жесткие диски же не так сильно продвинулись вперед (если не считать их
постоянное увеличение емкости). Ведь жесткий диск был и остается, чуть ли не
единственным элементом компьютера, в котором так много зависит от
механических частей.
Конструкторы стараются повысить их производительность с помощью
увеличения скорости вращения шпинделя до 100 000 оборотов в минуту.
Разрабатываются новые технологии для повышения плотности записи
информации на диск, чтобы ускорить считывание и запись данных. Однако,
уже сейчас хотелось бы иметь производительный и недорогой жесткий диск.
Сейчас активно используются жесткие диски со вторым поколением
стандарта Serial ATA (SATA), которая обеспечивает пропускную способность в
300 Мбайт/с. Такой пропускной способности интерфейса пока вполне хватает,
но скорость самих жестких дисков еще несколько далека от общего уровня
производительности современных компонентов ПК. Но, как уже было
упомянуто, разработки в этой сфере активно ведутся и, возможно, в этой сфере
свой вклад внесут нанотехнологии, что позволить выпустить новое поколение
жестких дисков или отказаться от них в пользу других новых устройств памяти.
2.3. Перспективы развития технологий персональных компьютеров
на примере развития микропроцессоров
Как уже было упомянуто в нашем исследовании - мозг персонального
компьютера - это микропроцессор или центральный процессор - CPU
(CentralProcessingUnit). Он выполняет вычисления и обработку данных и, как
правило, является, если не одним из самых дорогостоящих микросхем
компьютера, то уж точно самой сложной в изготовлении. Наибольшее
распространение получили микропроцессоры крупнейших производителей -
48
Intel и AMD. Рассмотрим развитие на практике этих процессоров и их
перспективы.
Все микропроцессоры персональных компьютеров отвечают единому
стандарту, который задан фирмой Intel, мировым лидером в производстве
процессоров для ПК. В старых компьютерах можно найти процессоры типов
Pentiumll, PentiumIII, в новейших - Pentium 4. Фирма AMD выпускает
процессоры, в общем аналогичные интеловским, но называются они немного
иначе: K6 (пентиум второй), К7 или Athlon (пентиум третий), К8 и т.д.48 В
последнее время AMD предугадывать будущее индустрии, иногда опережая
Intel с ее полумиллиардными доходами. Однако с выпуском процессоров Intel
серии i (IntelCorei7) превосходства AMD, особенно в области
энергоэффективности сильно пошатнулось.
Вполне понятно, что появление новых идей у отстающей компании - для
нее это способ выжить. Но неожиданно то, что иногда эти идеи принимает на
вооружение и Intel. В расчёте именно на этот стандарт пишутся игры,
программы и прочее. Но есть ещё стандарт фирмы Apple для персональных
компьютеров Macintosh. «Маки» оснащены, как на войну, - в них сразу же в
стандартном комплекте, есть и звуковая приставка с микрофоном и динамики, и
модем для подключения к сети, и ещё кое-какие вещи, которые в IBM-
совместимых PC надо покупать отдельно. Это мощные и простые в
эксплуатации машины, порой (как, например, в настольных издательских
системах) незаменимые. Однако у нас в России (да и во всём мире) их гораздо
меньше, чем PC, и они заметно дороже.
В основе любой ЭВМ, ПК лежит использование микропроцессоров. Он
является одним из самых важнейших устройств в компьютере, которым
привычно характеризуют уровень производительности ПК.49 Микропроцессор
является «мозгом» и «сердцем» компьютера. Он осуществляет выполнение
программ, работающих на компьютере, и управляет работой остальных
48Бирюков, В. В. Компьютер в новой эре [Текст] / В.В. Бирюков // Компьютерра. - 2013. - № 44. - С. 31-32.
49Лаптев, Д.А. Современный компьютер. Сборка и модернизация [Текст] / Д.А. Лапев. - СПб.: Питер, 2011. - С.
177.
49
устройств компьютера. Когда выбирают себе компьютер, первым делом
выбирают себе микропроцессор, который будет соответствовать требованиям,
тех или иных людей. От процессора зависит, как быстро будут запускаться
программы, и даже насколько быстро будет происходить процесс архивации
данных в WinRAR. 64-битные процессоры - Itanium и Sledgehammer.
В это же время AMD анонсировала свой 64-битный процессор по имени
Sledgehammer. Процессоры Pentium I, II, III, даже Xeon - всё это вариации
старой темы 32-битных вычислений. А вот Itanium, и вместе с ним
Sledgehammer - действительно следующая ступенька эволюции процессоров.
Xeon был первым шагом Intel в область RISC-процессоров. Сейчас Intel
заявляет, что Itanium превосходит RISC-машины. Давайте посмотрим на то, что
известно об этом процессоре.
EPIC (ExplicitlyParanelInstructionComputing) Одним из наиболее важных
отличий между Itanium и RISC-процессорами является использование в Itanium
метода расширенных параллельных вычислений. Это не параллельные
вычисления, для которых используются два и более процессоров, это относится
к возможности выполнить несколько команд за один такт на одном процессоре.
Intel называет это EPIC (Explicitly Parallel Instruction
Computing). Эффективность работы этой технологии сильно зависит от качества
разработанных для неё компиляторов, а также оптимизации под такие
вычисления выполняемого софта.
Для выполнения EPIC используются две методики: предсказание и
предположение (predicationandspeculation). Предсказание ветвления
используется и в современных процессорах.50
Однако слишком много времени процессора расходуется для вычисления
ветвей программы, которые затем не используются. Предсказание ветвления
основывается на анализе исполняемой программы компилятором, и целиком на
50Новиков, Ю.В. Основы микропроцессорной техники [Текст] / Ю.В. Новиков, П.К. Скоробогатов.- М.:
Интернет-университет информационных технологий, 2012. - С. 201.
50
него полагается при принятии решений, какие из ветвей нужно просчитывать, а
какие нет.
Методика предположения используется в процессоре Itanium. Она
заключается в том, что инструкции и данные загружаются в процессор
(используя процессор как кэш) до того, как они могут понадобится, а в
некоторых случаях даже если они и не должны понадобится. Такая ранняя
загрузка должна происходить во время простоя процессора. Выигрыш этой
методики в том, что при совпадении загруженных данных с теми, которые
потребовались для дальнейшей работы, исчезает время ожидания на их
загрузку из памяти.
Распределение сигнала тактовой частоты: Процессор Itanium достаточно
большой, что приводит к искажениям в передаче сигнала тактовой частоты. Это
приводит к тому, что некоторые области процессора могут получать сигнал
значительно позже, чем другие. В Itanium проблема решена созданием в чипе
нескольких узлов распределения сигнала.
Регистры мониторинга производительности: Itanium содержит несколько
специальных регистров, которые позволяют проводить менеджмент работы
процессора в реальном времени, практически не ухудшая производительности
собственно вычислений.
Три кэша: Два кэша, L1 и L2, находятся на кристалле процессора. Кэш
третьего уровня, L3, расположен на картридже и имеет объём четыре
мегабайта.
Плавающая точка: Довольно большой процент площади кристалла (около
10%) - занят модулем работы с плавающей точкой (FPU). Для такой работы у
процессора есть 128 82-битных регистров.
Совместимость с 32-битными инструкциями: Intel заявляет, что Itanium
имеет полную совместимость с существующим набором инструкций, что
означает, что все программы, написанные для современных машин, будут
работать без изменений. Однако не нужно думать, что 32-битные приложения
будут исполняться быстрее на 64-битном Itanium. Фактически есть основания
51
считать, что они будут работать медленнее. В опубликованной AberdeenGroup
«AnExecutiveWhitePaper» заявляется: «Для достижения максимальной
производительности 32-битных приложений, нужно серьёзно рассматривать
архитектуру IA-32, а не IA-64»51.
64-битный процессор. Что даёт переход на 64-битный процессор? Одно -
это возможность обрабатывать 8-байтную информацию за такт процессора.
Кроме процессора, это должна поддерживать системная шина. Другое -
возможность использования 64-бит для адресации памяти. 32-битный
процессор может адресовать 2Л32, приблизительно 4,3 млрд бит. А 64-битный -
2Л64, около 18,4 квинтильона бит (около 2,1 млрд гигабайт).
Большое количество регистров. В процессоре Itanium больше регистров,
чем у предшественников. Конечно, далеко не технологии, а огромные
стоимости станут самым серьезным препятствием при разработках
микропроцессоры будущего.
Через 15 лет микропроцессоры будут работать на гигагерцевых частотах,
а число транзисторов на кристалл размером с ноготь составит миллионы.
Протяженность многослойных межсоединений, которые выполнены на
кристалле с молекулярной точностью, составит более километра. На первый
план выйдет проблема достижения максимального быстродействия
межкомпонентных соединений, с которой поставщики ПК пытаются
справиться и сегодня, поскольку скорости внутри ИС в грубом приближении
впятеро выше, чем при обмене сигналами между ИС и платой. Большие
трудности для разработчиков ИС создадут и задержки распространения
сигналов между многочисленными металлическими слоями.
Более производительные информационные системы откроют в будущем
возможности реализации многочисленных приложений ПК, которые
ограничены лишь нашей изобретательностью. Уже сейчас микропроцессоры
дают возможность осуществить, например, распознавание рукописных текстов
51 Ветров, С.В. Компьютерное «железо» [Текст] / С.В. Ветров. - М.: СОЛОН-Пресс, 2013. - С. 16-17.
52
и перевод с одного языка на другой. И все же препятствия на пути дальнейшего
развития микросхемотехники существуют.
Одно из препятствий, которое мешает развитию микропроцессорной
техники и технологии, связано с высокой стоимостью строительства
предприятия (завода) для полупроводникового производства, которое сейчас
превышает 1 млрд. долл.52 Сегодня существует около тысячи таких заводов;
строительство порядка сотни таких заводов в период до 2017 г. обойдется еще
дороже.
К тому же эти затраты не идут ни в какое сравнение с расходами, которые
потребуются для доведения новых микросхем до рынка. Например, разработка
и внедрение первого микропроцессора Pentium обошлись компании Intel в
сумму более 5 млрд. долл. Разработка микросхем 2015 г., независимо от того,
будут ли они выполнены на основе RISC- или CISC-архитектуры, может
обойтись в сумму около 10 млрд. долл.
Расходы на изготовление микросхем фактически признал в качестве
ограничивающего фактора Гордон Мур из компании Intel. Муру это хорошо
известно, так как он первым указал в 1965 г. на стратегическую тенденцию
пропорционального уменьшения размера транзисторов в целях экономически
эффективного изготовления более миниатюрных и быстродействующих
микросхем повышенной функциональности (эту тенденцию затем стали
называть «Законом Мура»). В соответствии с ней каждый год в продажу
поступают все более быстродействующие и миниатюрные компьютеры.
Есть специалисты, утверждающие, что для развитие микросхемотехники
нет реальных препятствий и что при должном использовании технологии
можно достичь гораздо большего, чем повышение продуктивности.
Возможности воплощения в жизнь любых достижений, видимо, значительно
шире. Можно ли воспользоваться завтрашней технологией, чтобы добиться
большего прогресса в таких сферах, как образование и восприятие культурных
52Гук, М. Процессоры Pentium 4, Athlon и Duron [Текст] / М. Гук, В. Юров. - СПб.: Питер, 2012. - С. 111.
53
ценностей? Ведь встречались и еще более странные вещи, даже в электронной
промышленности.
В попытках ускорить обработку информации путем минимизации
задержек распространения сигналов разработчики стали размещать
металлические токопроводящие дорожки возрастающей длины слоями. В то
время как в конце восьмидесятых годов в ИС использовался только один слой
металлизации, сегодня число таких слоев достигает четырех или пяти.
Хотя такая слоистая структура будет быстро прогрессировать, и число
слоев увеличится до восьми и более, возможности подобных металлических
структур, связанные с прохождением сигналов, достигнут, в конце концов,
предела и потребуются какие-то новые методы.53 Токопроводящие дорожки
будут, скорее всего, медными, а не алюминиевыми, так как медь обладает
лучшей электропроводностью. А вместо изолирующей пленки из двуокиси
кремния для разделения токопроводящих дорожек на пластину будут
осаждаться либо наноситься - с использованием центрифуги - фторированные
окислы.
Это чудесное сочетание материалов понизит резистивно-емкостную
постоянную времени проводников. Благодаря сведению к минимуму
сопротивления металла и уменьшению диэлектрической проницаемости
изолирующей пленки разработчики добьются ускорения прохождения
сигналов. Именно в этом отношении решающую роль приобретает выбор
технологий.
Стоимостные и технологические вопросы в полупроводниковой
промышленности тесно взаимосвязаны. Сегодня существует несколько
технологических процессов изготовления микросхем; определяющая доля
суммарных затрат на изготовление приборов приходится на процессы
производства пластин. В число таких процессов в настоящее время входят
53Коледов, Л.А. Технология и конструкция микросхем, микропроцессоров и микросборок [Текст] / Л.А.
Коледов. - М.: Лань, 2012. - С. 202.
54