Современные тенденции развития средств вычислительной техники

Первой волной компьютерной революции принято считать появление  мэйнфреймов, предоставивших предприятиям доступ к огромным информационным ресурсам. На этом этапе весомую роль сыграла компания IBM. Ее унаследованные системы и сегодня все еще широко применяются различными организациями по всему миру.

Вторая волна связана  с распространением персональных компьютеров  в начале 80-х годов. Благодаря  ПК, информационные технологии стали  доступными для конечных пользователей, что дает основание называть данный этап "демократизацией вычислений". Важнейшая роль здесь принадлежит корпорации Microsoft, разработавшей самые популярные ОС для настольных систем.

Инвестиции в инфраструктуру и сервисы Интернет вызвали бурный рост отрасли информационных технологий в конце 90-х годов XX века. Сегодня  наблюдается бурное развитие локальных  и глобальных сетей. Сетевые возможности  становятся обязательными атрибутами ОС (операционной системы) для ПК, а  сетевые серверные ОС - ареной конкурентной борьбы ведущих компаний. Новый этап должен привести к качественному  изменению всего характера вычислений.

Мы стоим на пороге третьего этапа компьютерной революции, которая  приведет к реализации возможности  непрерывного обмена информацией через  глобальные сети. В этом случае накопленные  знания станут доступными в электронной  форме и будут передаваться по сетям, универсальный доступ к глобальной сети фундаментально изменит современные  методы работы, образования, управления, способы проведения досуга и характер развлечений.

Переходу к новому этапу  способствует и сама технология. По мнению специалистов, в течение ближайшего десятилетия базовые компьютерные технологии не столкнутся с существенными  физическими ограничениями, что  позволит наращивать вычислительную мощность микропроцессоров и емкость устройств  дисковой памяти теми же темпами, что  и сегодня. В то же время для  микропроцессоров, памяти, программного обеспечения определяющей является технология коммуникаций. По мере наращивания  мощности клиентов и серверов необходимость  в быстрой передаче больших объемов  данных становится все более острой, поэтому следующим этапом должны стать наращивание мощности сетевых  технологий. Эволюция средств связи  приводит к применению каналов со все более высокой пропускной способностью, что даст возможность передавать по ним все типы данных и обеспечить такими средствами каждый дом. Что касается программного обеспечения, то оно превратится в среду интеллектуальной поддержки, направляющую действия пользователей.

Для персональных компьютеров  различных видов современные  сети предлагают такие услуги, которые  еще вчера трудно было представить, включая новые возможности телевидения  и развитые системы защиты. Электроника  все шире будет использоваться в  быту, наделяя "интеллектом" не только теле-, радио- и видеоаппаратуру, но и самые обычные предметы. Развиваемые  технологии позволят подключить данные устройства к сети, используя для  этого всю существующую инфраструктуру, включая кабельное телевидение  и обычную электросеть.

Глобальная коммуникационная сеть, как Internet неуклонно расширяется, приобретая все более важное значение и новые функции. Она все чаще применяется не только для поиска информации и коммуникаций, но и для обучения, электронной коммерции и в других областях, знаменуя начало формирования глобального сетевого сообщества.

Развитие информационных технологий в значительной степени  определяет процессы интеграции систем и создания стандартов. Это может  в существенной мере отодвинуть сроки  воплощения в жизнь тех преимуществ, которые предоставляют новейшие технологии. Например, выполнение программы  создания и совершенствования компьютеров пятого поколения, финансируемой японскими фирмами, сдерживается тем, что новая архитектура программного обеспечения пока не сочетается с существующими центрами искусственного интеллекта, новые протоколы не могут быть использованы в старых системах связи, а новые машинные языки не подходят для старых систем и т.д.

Еще одной тенденцией развития информационных технологий является глобализация информационного бизнеса. Чисто  теоретически любой человек (или  фирма) является сегодня потребителем информации. Поэтому возможности  информационного рынка по-прежнему являются беспредельными, хотя и существует довольно жесткая конкуренция между  основными производителями.

Таким образом, главными, определяющими  стимулами развития информационной технологии, являются социально-экономические  потребности общества. Экономические  отношения накладывают свой отпечаток  на процесс развития техники и  технологии, либо давая ему простор, либо сдерживая его в определенных границах.

Техника и технология в  своем развитии имеют эволюционные и революционные стадии и периоды. Вначале обычно происходит медленное  постепенное усовершенствование технических  средств и технологии, накопление этих усовершенствований является эволюцией.

 

Современные тенденции  развития средств вычислительной техники

 

По прогнозам аналитиков, к 2012 году число транзисторов в микропроцессоре  достигнет 1 млрд., тактовая частота  возрастет до 10 ГГц, а производительность достигнет 100 млрд.оп/с.

Рассмотрим основные направления  развитие микропроцессоров.

1. Повышение 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 5 В до 2,5-3 В и ниже, увеличивает быстродействие и уменьшает выделяемую тепловую энергию. Все производители микропроцессоров перешли с проектных норм 0,35-0,25 мкм на 0,18 мкм и 0,12 мкм и стремятся использовать уникальную 0,07 мкм технологию.

Год производства	2005	2006	2007	2010	2013	2016
DRAM, нм	80	70	65	45	32	32
МП, нм	80	70	65	45	32	32
Uпит, В	0,9	0,9	0,7	0,6	0,5	0,4
Р, Вт	170	180	190	218	251	288

 

При минимальном размере  деталей внутренней структуры интегральных схем 0,1-0,2 мкм 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.

При этом начинают проявляться  эффекты квантовой связи, в результате чего твердотельное устройство становится системой, действие которой основано на коллективных электронных процессах.Проектная норма 0,05-0,1 мкм (50-100 нм) - это нижний предел твердотельной микроэлектроники, основанной на классических принципах синтеза схем.

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.

Впервые рубеж тактовой частоты  в 500 МГц перешагнули микропроцессоры  фирмы DEC, которая уже в конце 1996 г. поставляла Alpha 21164 с тактовой частотой 500 МГц, в 1997 г. - Alpha 21264 с тактовой частотой 600 МГц, а в 1998 г. - Alpha 21264 с тактовой частотой 750 МГц и выше. В настоящее время ряд фирм выпускает процессоры для персональных компьютеров с тактовой частотой свыше 4 ГГц.

 

Увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти.

 

Возможные решения по увеличению пропускной способности подсистемы памяти включают создание кэш-памяти одного или нескольких уровней, а также  увеличение пропускной способности  интерфейсов между процессором  и кэш-памятью и конфликтующей  с этим увеличением пропускной способности  между процессором и основной памятью. Совершенствование интерфейсов  реализуется как увеличением  пропускной способности шин (путем  увеличения частоты работы шины и/или  ее ширины), так и введением дополнительных шин, расшивающих конфликты между  процессором, кэш-памятью и основной памятью. В последнем случае одна шина работает на частоте процессора с кэш-памятью, а вторая - на частоте  работы основной памяти. При этом частоты  работы второй шины, например, равны 66, 66, 166 МГц для микропроцессоров Pentium Pro-200, Power PC 604E-225, Alpha 21164-500, работающих на тактовых частотах 300, 225, 500 МГц, соответственно. При ширине шин 64, 64, 128 разрядов это обеспечивает пропускную способность интерфейса с основной памятью 512, 512, 2560 Мбайт/с, соответственно.

Общая тенденция увеличения размеров кэш-памяти реализуется по-разному:

внешние кэш-памяти данных и  команд с двухтактовым временем доступа объемом от 256 Кбайт до 2 Мбайт со временем доступа 2 такта в HP PA-8000;

отдельный кристалл кэш-памяти второго уровня, размещенный в  одном корпусе в Pentium Pro;

размещение отдельных  кэш-памяти команд и кэш-памяти данных первого уровня объемом по 8 Кбайт и общей для команд и данных кэш-памяти второго уровня объемом 96 Кбайт в Alpha 21164.

Наиболее используемое решение  состоит в размещении на кристалле  отдельных кэш-памятей первого  уровня для данных и команд с возможным  созданием внекристальной кэш-памяти второго уровня. Например, в Pentium II использованы внутрикристальные кэш-памяти первого уровня для команд и данных по 16 Кбайт каждая, работающие на тактовой частоте процессора, и внекристальный кэш второго уровня, работающий на половинной тактовой частоте.

 

Увеличение количества параллельно работающих исполнительных устройств.

 

Каждое семейство микропроцессоров демонстрирует в следующем поколении  увеличение числа функциональных исполнительных устройств и улучшение их характеристик, как временных (сокращение числа  ступеней конвейера и уменьшение длительности каждой ступени), так и  функциональных (введение ММХ-расширений системы команд и т.д.).

В настоящее время процессоры могут выполнять до 6 операций за такт. Однако число операций с плавающей  точкой в такте ограничено двумя  для R10000 и Alpha 21164, а 4 операции за такт делает HP PA-8500.

Для того чтобы загрузить  функциональные исполнительные устройства, используются переименование регистров  и предсказание переходов, устраняющие  зависимости между командами  по данным и управлению, буферы динамической переадресации.

Широко используются архитектуры  с длинным командным словом - VLIW. Так, архитектура IA-64, развиваемая Intel и HP, использует объединение нескольких инструкций в одной команде (EPIC). Это позволяет упростить процессор и ускорить выполнение команд. Процессоры с архитектурой IA-64 могут адресоваться к 4 Гбайтам памяти и работать с 64-разрядными данными. Архитектура IA-64 используется в микропроцессоре Merced, обеспечивая производительность до 6 Гфлоп при операциях с одинарной точностью и до 3 Гфлоп - с повышенной точностью на частоте 1ГГц.

Системы на одном  кристалле и новые технологии.

 

В настоящее время получили широкое развитие системы, выполненные  на одном кристалле - SOC (System On Chip). Сфера применения SOC - от игровых приставок до телекоммуникаций. Такие кристаллы требуют применения новейших технологий.

Основной технологический  прорыв в области SOC удалось сделать  корпорации IBM, которая в 1999 году смогла реализовать сравнительно недорогой  процесс объединения на одном  кристалле логической части микропроцессора  и оперативной памяти. В новой  технологии, в частности, используется так называемая конструкция памяти с врезанными ячейками (trench cell). В этом случае конденсатор, хранящий заряд, помещается в некое углубление в кремниевом кристалле. Это позволяет разместить на нем свыше 24 тыс. элементов, что почти в 8 раз больше, чем на обычном микропроцессоре, и в 2-4 раза больше, чем в микросхемах памяти для ПК. Следует отметить, что хотя кристаллы, объединяющие логические схемы и память на одном кристалле, выпускались и ранее, например, такими фирмами, как Toshiba, Siemens AG и Mitsubishi, подход, предложенный IBM, выгодно отличается по стоимости. Причем ее снижение никоим образом не сказывается на производительности.