Эволюция средств автоматизации вычислений

Попытки облегчить, а в идеале автоматизировать процесс вычислений имеют давнюю историю, насчитывающую более 5000 лет. С развитием науки и технологий средства автоматизации вычислений непрерывно совершенствовались. Современное состоя­ние вычислительной техники (ВТ) являет собой результат многолетней эволюции. В последнее время вопросы развития ВТ стали предметом особо пристального внимания ученых, свидетельством чего служит активно развивающаяся новая об­ласть знаний, получившая название «Теория эволюции компьютеров» (Computer evolution theory). Создатели теории обратили внимание на сходство закономерно­стей эволюции вычислительной техники и эволюции в биологии. В основу новой науки положены следующие постулаты:

· самозарождение «живых» вычислительных систем из «неживых» элементов (в биологии это явление известно как абиогенез);

· поступательное продвижение по древу эволюции — от од­нопроцессорных вычислительных машин к многопроцес­сорным вычислительным системам;

· прогресс в технологии вычислительных систем как следствие полезных мута­ций и вариаций;

· отмирание устаревших технологий в результате естественного отбора;

· закон Мура – плотность транзисторов на кремниевой подложке удваивается каждые 18-24 месяца, соответственно в два раза растет их производитель­ность и в два раза падает их рыночная стоимость.

В традиционной трактовке эволюцию вычислительной техники представляют как последовательную смену поколений ВТ.

Любопытные факты и цифры

В 2003 году Гордон Мур подсчитал, что количество транзисторов, ежегодно поставляемых на рынок, достигло 10.000.000.000.000.000.000 (1019).

Разрабатываемый сейчас в Intel метод производства микропроцессоров предусматривает, что расстояние между транзисторами на чипе составит одну десятитысячную толщины человеческого волоса. Это равносильно тому, чтобы провести автомобиль по прямой длиной в 650 км с отклонением от оси менее 2,5 см.

В 1978 году авиабилет по маршруту Нью-Йорк-Париж стоил около 900 долларов, а перелет длился около 7 часов. Если бы авиаиндустрия развивалась в соответствии с законом Мура, то сегодня авиабилет на тот же маршрут стоил бы менее цента, а перелет занял бы менее одной секунды.

За время существования корпорации Intel (то есть с 1968 года) себестоимость производства транзисторов упала до такой степени, что теперь обходится примерно во столько же, сколько стоит напечатать любой типографский знак — например, запятую.

В процессе разработки микропроцессоров, содержащих один миллиард транзисторов, Intel уменьшила величину транзисторов до такой степени, что теперь на булавочной головке могут разместиться 200 млн транзисторов.

Современные транзисторы производства корпорации Intel открываются и закрываются со скоростью полтора триллиона раз в секунду. Чтобы включить и выключить электрический выключатель полтора триллиона раз, человеку потребовалось бы 25 тысяч лет.

Что дальше?

За истекшие сорок лет скептики сотни раз предсказывали закону Мура скорую кончину, но ученые и инженеры Intel своими открытиями и неустанным трудом снова и снова подтверждали провидческий дар и безупречность выводов одного из отцов-основателей корпорации.

На весеннем (2002 г.) Форуме Intel для разработчиков (IDF) главный технический директор корпорации Intel Патрик Гелсингер сказал: «Наша задача состоит сегодня не только в том, чтобы продлить жизнь закону Мура, но и в том, чтобы максимально расширить сферу его действия, распространив его и на другие области». Первоначально закон Мура был простым выводом из наблюдений за первыми этапами развития индустрии микропроцессоров, этаким эмпирическим постулатом. Но уже через несколько лет он стал руководящим принципом развития для всей отрасли, а теперь иначе как законом его никто и не называет. «Честно говоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура, как долго мы еще сможем пользоваться его плодами? — говорит П. Гелсингер — В 1980 году, когда я пришел в Intel, мы ломали голову над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцессоров в 1 микрон. В девяностые годы перед нами встала задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона, и опять она казалась нам недостижимой. А сегодня мы думаем о том, как преодолеть барьер в одну сотую микрона. Могу пообещать вам, что до моей пенсии, то есть в течение еще двадцати пяти лет, закон Мура будет действовать. Уверен, что еще не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли».

«Закон Мура — основной лейтмотив нашей деятельности в области конвергенции вычислительных и коммуникационных возможностей», — заявил глава корпорации Intel Крейг Барретт, открывая весенний (этого года) Форум Intel для разработчиков. — «Приверженность корпорации Intel закону Мура позволяет нам создавать интегрированные платформы, которые предоставляют широкий диапазон возможностей для отдельных людей и организаций, использующих эти технологии. Для эффективной реализации всего потенциала новых возможностей все большее значение приобретают процесс внедрения инноваций и общеотраслевое сотрудничество». Со своей стороны, в своем выступлении на последнем IDF Паоло Джарджини, директор по технологической стратегии корпорации Intel, подтвердил, что закон Мура продолжает действовать и что в полном соответствии с ним корпорация Intel продолжает вводить новые технологические процессы каждые два года. Залогом успешной деятельности Intel на этом направлении служат ежегодные многомиллиардные вложения корпорации в научно-исследовательские разработки, постоянную модернизацию и расширение своих производственных мощностей. Достаточно сказать, что в 2005 году Intel планирует израсходовать на эти цели более 10 млрд долларов.

В 2005 году начнется производство чипов по технологии 65 нанометров, на 2007-й намечен переход на 45-нанометровый процесс, на 2009 год — внедрение 32-нанометрового, а в 2011 году настанет черед технологического процесса 22 нм. Как подчеркнул Паоло Джарджини, в корпорации Intel уже есть конкретные научно-технические разработки, которые позволяют реализовать все эти планы.

Тогда же Паоло Джарджини заявил, что вплоть до 2020 года Intel сможет создавать транзисторы по современной схеме работы — с электродами и затвором между ними. К тому времени, однако, размеры всех элементов транзистора достигнут атомарных размеров, и уменьшать их дальше будет просто невозможно. Следовательно, уже сейчас необходимо искать новые подходы. Один из них — организация передачи сигнала на уровне элементарных частиц, путем спиновых волн.

В лабораториях Intel уже сейчас разрабатываются идеи, которые будут воплощены в чипах только лет через 10. Одна чисто теоретическая идея заключается в многократном использовании электронов. В современных архитектурах электроны перемещаются от истока к стоку, а затем теряются. «При утилизации вы просто переносите электрон в другое место», — пишет Джарджини в одной из своих работ. — «Можно производить множество операций, не теряя электронов».

Другая альтернатива — углеродные и кремниевые нанотрубки. Транзисторы, изготовленные из таких материалов, имеют сопоставимые размеры. Диаметр углеродных нанотрубок — 1-2 нм, но в экспериментальных транзисторах исток и сток расположены по их длине. Это позволяет повысить быстродействие и уменьшить потребляемую энергию, однако размер больше не сократится.

«Экзотические структуры, такие как углеродные нанотрубки, могут найти применение в технологии КМОП (комплементарные металл-оксидные полупроводники) не столько для ускорения темпов миниатюризации, сколько для повышения производительности устройств или, возможно, упрощения их изготовления», — пишет Джарджини. — «Даже если для цифровой логики будет изобретено принципиально иное средство перемещения электронов, возможности его масштабирования для повышения плотности и производительности не зайдут много дальше пределов, достижимых технологией КМОП, главным образом, из-за ограничений, налагаемых требованием отвода тепла».

Следующая альтернатива — изготавливать чипы больших размеров, наращивая их площадь или строя трехмерные многослойные микросхемы. Такие решения предлагал сам Гордон Мур, а также профессор Стэнфордского университета Том Ли и некоторые другие исследователи. Каким путем пойдет дальнейшее развитие полупроводников — покажет время.

Так или иначе, практическая деятельность Intel не только продлевает жизнь закону Мура, но и распространяет его действие на самые разные сферы. Микропроцессоры становятся буквально вездесущими, а достижения высоких технологий — максимально демократичными, поскольку наравне с традиционными нишами Intel предлагает использовать их и в совершенно новых областях: в беспроводных технологиях, сенсорах и сенсорных сетях, а также в оптических технологиях. Так что, по мнению руководства Intel, все только начинается...

Вот уже на протяжении 40 лет развитие микроэлектроники служит главной движущей силой всемирной технологической революции, принося радикальные позитивные перемены в жизни миллиардов людей. Закон Мура открывает новый, удивительно увлекательный и разнообразный цифровой мир. Будущее уже наступило, и осталось лишь научиться жить в нем.

Нулевое поколение (1492-1945)

Для полноты картины упомянем два события, произошедшие до нашей эры: пер­вые счеты — абак, изобретенные в древнем Вавилоне за 3000 лет до н. э., и их более «современный» вариант с косточками на проволоке, появившийся в Китае при­мерно за 500 лет так же до н. э.

«Механическая» эра (нулевое поколение) в эволюции ВТ связана с механичес­кими, а позже — электромеханическими вычислительными устройствами. Основ­ным элементом механических устройств было зубчатое колесо. Начиная с XX века роль базового элемента переходит к электромеханическому реле.

Первое поколение (1937-1953)

На роль первой в истории электронной вычислительной машины в разные периоды претендовало несколько разработок. Общим у них было использование схем на базе электронно-вакуумных ламп вместо электромеханических реле. Предполага­лось, что электронные ключи будут значительно надежнее, поскольку в них отсут­ствуют движущиеся части, однако технология того времени была настолько несо­вершенной, что по надежности электронные лампы оказались ненамного лучше, чем реле. Однако у электронных компонентов имелось одно важное преимущество: выполненные на них ключи могли переключаться примерно в тысячу раз быстрее своих электромеханических аналогов.

Второе поколение(1954-1962)

Второе поколение характеризуется рядом достижений в элементной базе, струк­туре и программном обеспечении. Принято считать, что поводом для выделения нового поколения ВМ стали технологические изменения, и, главным образом, пе­реход от электронных ламп к полупроводниковым диодам и транзисторам со вре­менем переключения порядка 0,3 мс.

Третье поколение(1963-1972)

Третье поколение ознаменовалось резким увеличением вычислительной мощно­сти ВМ, ставшим следствием больших успехов в области архитектуры, технологии и программного обеспечения. Основные технологические достижения связаны с переходом от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным микро­схемам и началом применения полупроводниковых запоминающих устройств, начинающих вытеснять ЗУ на магнитных сердечниках. Существенные изменения произошли и в архитектуре ВМ. Это, прежде всего, микропрограммирование как эффективная техника построения устройств управления сложных процессоров, а также наступление эры конвейеризации и параллельной обработки. В области программного обеспечения определяющими вехами стали первые операционные системы и реализация режима разделения времени.

Четвертое поколение (1972-1984)

Отсчет четвертого поколения обычно ведут с перехода на интегральные микро­схемы большой (large-scale integration, LSI) и сверхбольшой (very large-scale inte­gration, VLSI) степени интеграции. К первым относят схемы, содержащие около 1000 транзисторов на кристалле, в то время как число транзисторов на одном кри­сталле VLSI имеет порядок 100 000. При таких уровнях интеграции стало возмож­ным уместить в одну микросхему не только центральный процессор, но и вычис­лительную машину (ЦП, основную память и систему ввода/вывода).

Пятое поколение(1984-1990)

Главным поводом для выделения вычислительных систем второй половины 80-х го­дов в самостоятельное поколение стало стремительное развитие ВС с сотнями процессоров, ставшее побудительным мотивом для прогресса в области параллель­ных вычислений. Ранее параллелизм вычислений выражался лишь в виде конвейе­ризации, векторной обработки и распределения работы между небольшим числом процессоров. Вычислительные системы пятого поколения обеспечивают такое рас­пределение задач по множеству процессоров, при котором каждый из процес­соров может выполнять задачу отдельного пользователя.

Шестое поколение (1990-)

На ранних стадиях эволюции вычислительных средств смена поколений ассоци­ировалась с революционными технологическими прорывами. Каждое из первых четырех поколений имело четко выраженные отличительные признаки и вполне определенные хронологические рамки. Последующее деление на поколения уже не столь очевидно и может быть понятно лишь при ретроспективном взгляде на развитие вычислительной техники. Пятое и шестое поколения в эволюции ВТ — это отражение нового качества, возникшего в результате последовательного накопления частных достижений, главным образом в архитектуре вычислительных.

Дата добавления: 2014-01-07