Аркадий Воловник - Знакомьтесь, информационные технологии
Основные блоки современного компьютера – процессор, память, коммуникационный узел – стали столь малы, что могут размещаться на одном кристалле. Естественно, человеку неудобно работать с компьютером, у которого нет устройств ввода и вывода информации – клавиатуры, мыши, дисплея, динамиков, но различные технические устройства прекрасно работают с такими компьютерами. Стоимость однокристалльных компьютеров не велика – до 10 долларов. Поэтому если встроить их в домашние устройства или станки, игрушки или автомобили, их стоимость изменится совсем незначительно, но они приобретут новые качества, станут интеллектуальными, способными на принятие самостоятельных решений и на интерактивное общение с человеком. Именно потому, что малые денежные затраты позволяют получить новые качества, мы сегодня наблюдаем процесс активного объединения компьютеров и домашних устройств.
Наверное, наиболее заметные изменения произошли с базовым ядром компьютера – процессором. Даже появился закон, определяющий скорость развития процессоров, – закон Мура. Закон Мура, сформулированный одним из основателей Intel Гордоном Муром (Gordon Moore), гласит, что количество транзисторов на процессоре будет удваиваться каждые 18–24 месяца, что будет вызвано уменьшением их размеров. Большее количество транзисторов ведет к пропорциональному увеличению производительности. К 2010 году микропроцессоры будут содержать примерно 400 млн. транзисторов. Такие процессоры будут работать при напряжении ниже одного вольта. Пока этот закон действует.
Именно процессор определяет основные «способности» компьютера. Несколько типов процессоров определили направления развития компьютеров.
Сегодня прошла эйфория ожидания массового появления роботов на работе, в магазинах и дома. И хотя разговоров про роботов стало меньше, реальных решений – больше. И эти решения основаны на мощном и непрекращающемся развитии компьютеров и программного обеспечения для них. Современные игрушки сегодня базируются на мощных однокристалльных компьютерах, значительно более производительных, чем персональные компьютеры десятилетней давности. Достаточно только познакомиться с игрушечными собаками Aibo от Sony или Dog.com от японской компании Тоту Со. Как и Aibo, более простая Dog.com способна в соответствии с одним из 16 заложенных шаблонов (плохой мальчик, хороший мальчик и т. п.) разговаривать, со временем обучаться и менять свою личность.
Эти умные игрушки сегодня уже не только развлекают малышей, но и обеспечивают уход и контроль состояния одиноких стариков, самостоятельно вызывая врача в том случае, если старик не «поговорил» со своей игрушкой в течение определенного времени. Выпуская и продавая такие игрушки, ведущие фирмы отрабатывают новые приемы и способы общения человека с «умными» приборами. Спокойно, без ненужных разговоров идет движение к реальным роботам, которые уже управляют стиральными и швейными машинами, микроволновыми печами и холодильниками. Просто мы, непосредственно участвуя в этом движении (например, покупая интеллектуальную стиральную машину или процессорную игрушку), не замечаем приближения новой эры.
И сегодня нет оснований полагать, что проникновение компьютеров и процессоров во все новые сферы нашей жизни прекратится. С каждым днем они становятся все меньше и мощнее, а значит, можно будет решать новые задачи, которые сегодня кажутся невыполнимыми. Именно вопросам развития компьютеров и процессоров посвящены разделы данной главы.
• Разд. «Предел для компьютера» позволяет ответить на вопросы о пределах развития персонального компьютера, специфике представления видео– и звуковой информации, а также в нем определяются направления дальнейшего развития PC.
• В разд. «Суперкомпьютеры – все мощнее и все дешевле» рассматриваются современные суперкомпьютеры и выявляются тенденции их развития. Одновременно исследуются основные области применения этих устройств.
• «…и компьютер превращается, превращается, превращается…». Программное управление бытовыми устройствами – от игрушек до сложных систем охраны и управления дома – придало всем этим изделиям новые качества. И во многих из них угадываются черты скрытого компьютера. Выявлению роли компьютера в повседневной жизни посвящен этот раздел.
• Разд. «Микропроцессоры – невидимые труженики» дает представление о тенденциях развития процессоров, истории их развития и структуре. Одновременно определяется взаимосвязь между отдельными группами компьютеров и классами процессоров.
Представленные материалы позволяют понять, как изменяются процессоры и компьютеры, что они могут делать сегодня и чего стоит ожидать нам завтра.
Предел для компьютера
Извечные русские вопросы «Кто виноват?» и «Что делать?» в наше время задаются все реже. Вместо них звучат новые вопросы: «Что выгоднее?», «Что эффективнее?», «Кому необходимо?», «В чем перспектива?» И чем актуальнее тема, тем чаще звучат эти вопросы. Сегодня на развитие рынка наиболее активно влияют информационные технологии, сердцевина которых– компьютер. Потому вопросы, связанные с перспективой развития компьютерной техники, являются крайне актуальными, и ответы на них могут существенно повлиять на оценки и перспективы развития рынка высоких технологий и, следовательно, рынка в целом. При этом, естественно, необходимо найти ответ на один из основных вопросов…
Есть ли предел развития компьютера?
Для любого вида техники можно указать два предела, которые ограничивают его развитие: технологический и органолептический. Технологические пределы определяются фундаментальными законами физики. В частности, не может быть создан двигатель, КПД которого был бы больше 100 %. Органолептические пределы зависят от физиологических возможностей человека. Так, самолет, способный обеспечить ускорение в 100 g, принципиально может быть создан. Однако это ускорение приведет к гибели пилота и потому создание такого самолета бессмысленно. Аналогичные пределы можно указать и для компьютерной техники.
Технологический предел определяется скоростью света в вакууме, которая составляет 300 тысяч км/с. Иными словами, за одну секунду фотон перемещается на 0,3х109 м. Электрон в веществе не может двигаться с большей скоростью. При частоте работы процессора 1 ГГц за один такт фотон переместится на 300 мм. Расстояние, которое проходит импульс в современном процессоре, может измеряться десятками миллиметров (площадь кристалла процессора более 100 мм2). Этот импульс несет не только информационное содержание, но и энергию, используемую, в первую очередь, для переключения триггера. Как следствие, реальный электрический импульс должен иметь ненулевую длительность. Все эти ограничения приводят к тому, что реальная частота работы процессора вряд ли превысит 10 ГГц. Отдельный транзистор уже работает на значительно более высоких частотах, но без реального перемещения импульсов в пространстве.
Таким образом, можно говорить о физической границе частоты работы процессоров. Конечно, будет совершенствоваться структура процессора, расширяться кэш-память. Уже появились многопроцессорные кристаллы – IBM объявила о выпуске процессора Power 4, здесь на одном кристалле находятся два процессора. Тем самым сокращается длина пути электрона внутри процессора, а повышение производительности обеспечивается за счет параллельной обработки данных.
* * *Технические ограничения в развитии компьютеров стали ясны.
Но необходимо поставить и другой вопрос.
Что человеку нужно?
Необходимо оценить и предел, связанный с возможностями восприятия человеком информации. Уже есть одна область цифровой техники, в которой такой предел достигнут. Это – цифровой звук. Достаточно давно звук представлен в 16-битном формате. И, несмотря на многократно возросшие технические возможности, не намечается перехода на 32-битный звук. Причина только одна – получаемый звук обеспечивает максимально возможное для человека качество звучания. Предел достигнут.
Однако с видеоинформацией ситуация существенно отличается. Самое высокое качество изображения обеспечивает сегодня монитор компьютера. Для качества выводимой информации принципиальное значение имеет размер минимального элемента (пиксела), из набора которых формируются все изображения, и частота восстановления изображения на экране. У лучших мониторов размер пиксела – 0,2 мм, что позволяет выводить на 17-дюймовый экран до 1200 строк. Размер пиксела определяет «гладкость» картинки – чем меньше точка, тем четче картинка. Но даже 1200 строк позволяют заметить на экране и строки, и точки в строке.
Второй важный параметр – частота восстановления (регенерации) экрана – связан с особенностью работы электроннолучевой трубки (ЭЛТ) – основа почти всех современных телевизоров и мониторов. На экране ЭЛТ с помощью управляемого пучка электронов обеспечивается свечение одного пиксела, который светится только то время, пока на него подаются электроны. Таким образом, картинка на экране формируется последовательным «зажиганием» отдельных пикселов. После этого пиксел некоторое время продолжает светиться (так называемое послесвечение), которое не может быть слишком долгим, иначе на экране будет сохраняться «след» от предыдущего изображения. Человеческий глаз устроен так, что картинка воспринимается неподвижной (без эффекта мелькания) в том случае, если частота повтора не ниже 16 Гц. Чем чаще, тем лучше. В современных телевизорах частота – 25 кадров в секунду (50 полукадров). В лучших телевизорах каждый кадр повторяется дважды, но находится на экране в течение вдвойне меньшего времени. Такой телевизор обеспечивает частоту 50 Гц (называется 100-герцовым, т. к. за одну секунду показывается 100 полукадров). Хорошие мониторы позволяют регенерировать экран 120–150 раз в секунду (современные мониторы работают с частотой регенерации не менее 70 Гц), а на экран выводится весь кадр.
