Знакомьтесь, информационные технологии. Глава 2. Компьютеры. Вчера, сегодня, завтра (А. А. Воловник, 2002)

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.

Другой вариант мониторов – жидкокристаллические (ЖК) постепенно вытесняют ЭЛТ: они позволяют получить существенно иные потребительские качества. ЖК панели работают в отраженном свете или на просвет: после того, как жидкий кристалл, представляющий собой пиксел, становится прозрачным (или непрозрачным), он остается таким, пока не будет подана команда на смену его состояния. Потому для ЖК-мониторов нет необходимости увеличивать частоту регенерации. Важна только скорость смены (обновления) картинки на экране, чтобы все пикселы за минимальное время, порядка 0,01 секунды, приняли необходимое состояние. Вторая особенность ЖК – потенциальная возможность существенного уменьшения размера жидкого кристалла. В течение 90-х годов развитие техники и технологии ЭЛТ позволило уменьшить размер пиксела менее чем на 30 %: с 0,31 до 0,2 мм. Дальнейшие перспективы также не обещают их заметного уменьшения. Иное дело – интегральные технологии, применяемые при производстве ЖК-панелей. В 1999 году IBM объявила о начале производства ЖК-мониторов с пикселом размером 0,125 мм (200 пикселов на дюйм), т. е. практически в два раза меньше, чем у хороших ЭЛТ. И это не предел – размер точки может быть еще уменьшен. Фирма IBM начала выпускать монитор, основанный на технологии Roentgen, который сама IBM классифицирует как quad SXGA, имеет 5,2 млн. пикселов (2560x2048) и разрешение в 200 пикселов на дюйм. Такие параметры могут понадобиться, например, в медицине при исследовании оцифрованных рентгеновских снимков – отсюда и название монитора. Вслед за IBM и другие компании начали выпускать новые мониторы. Так, Toshiba анонсировала выпуск первого 10,4-дюймового дисплея, поддерживающего разрешение до 1600x1200. Размер пиксела составляет 0,132 мм, а плотность – 192 точки на дюйм. В матрице используется кристаллический кремний, что повышает скорость прохода электронов через транзисторы, и, как результат, повышаются яркость и четкость изображения. Новые мониторы не позволяют с расстояния 20 см увидеть отдельные точки на экране – картинка воспринимается как цельная – человеческий глаз не фиксирует отдельный пиксел. Отличие изображения на новом мониторе от стандартного ЭЛТ такое же, как отличие документов, напечатанных на лазерном и на матричном принтерах.

Можно считать, что и здесь достигается органолептический предел, и дальнейшее улучшение качества изображения не будет фиксироваться человеком.

Что и как может сообщить компьютер – понятно. Теперь надо донести до него информацию. И тут придется ответить на следующий вопрос.

Как общаться с компьютером?

Наряду с ручным вводом данных в компьютер (с помощью клавиатуры и мыши), в настоящее время используются и другие методы: с помощью сканеров, дигитайзеров и т. д. Уже сегодня эти способы ввода влияют не только на производство (существенно упрощая и сокращая время ввода), но и на развлечения (например, обработка фотографий переходит на качественно иной уровень). И искусство также не осталось в стороне – так анимационные фильмы теперь можно снимать не только быстрее, но и с новыми художественными возможностями – не зря же Норштейн не применяет технические новации – это меняет сам фильм.

Современные средства ввода все больше ориентируются непосредственно на человека – компьютер должен понимать человеческий голос и воспринимать сказанное, узнавать образ человека и соответственно на него реагировать. То есть необходимо решить вопрос о вводе в компьютер звуковой и видеоинформации. Такие средства уже созданы и применяются в различных сферах использования компьютеров. Современные программы «понимают» значения нескольких тысяч слов, что позволяет вводить в компьютеры, на которых эти программы установлены, различные команды. Такие компьютеры работают, в частности, на самолетах. При занятых руках пилота такая организация ввода становится актуальной и эффективной. Для этих работ используются не самые мощные компьютеры. Более сложную задачу решают программы, позволяющие вести осмысленный диалог с человеком. Некоторые американские компании, продающие авиабилеты, используют компьютеры для приема заказов. Человек звонит в агентство, и программа выясняет у него, куда ему надо лететь, в какое время, какой класс и т. д. В соответствии с полученным запросом подготавливается предложение. Здесь главная задача – не распознавание слов, а адекватное понимание смысла, ибо одна и та же мысль может быть выражена различными словами. Таким образом, задача ввода звуковой информации практически решена на современных компьютерах.

Видеоинформация имеет значительно больший объем, чем звуковая. Но проблема ее ввода также решается не на самых мощных компьютерах. Выпускается много видеокамер, специально предназначенных для оперативного ввода видеоизображения в компьютер. Современные цифровые камеры позволяют передавать через стандартный порт данные в компьютер с качеством телевизионного сигнала. А программы обработки, в том числе и оцифровки, видеоданных работают уже давно и на существенно более слабых (чем большинство современных) компьютерах. Появившиеся в начале 2000 года видеопроцессоры вместе с процессорами, работающими на частоте от 600 МГц, обеспечивают даже кодирование видеоинформации в формате MPEG-2 в реальном времени.

Можно сказать, что мощность современных компьютеров вполне достаточна для ввода как звуковой, так и видеоинформации. Теперь мы знаем, что производительность современного компьютера позволяет решать многие задачи. Но не все. И потому необходимо выяснить

Что можно ожидать от компьютера дальше?

Конечно, для получения видеоизображения «неулучшаемого» качества требуется наличие не только соответствующих свойств монитора, но и возможность вывода на экран высококачественного изображения, которое сегодня ассоциируется с фотореалистическим качеством: героями игр должны стать реальные люди, ведущие себя реалистично («как в кино»). Для обеспечения фотореалистичного изображения необходимы значительные вычислительные мощности как центрального, так и видеопроцессора. В настоящее время проводится наращивание мощностей обоих устройств: увеличивается частота работы процессоров и в них встраиваются дополнительные функции.

В 1999 году произошло очередное продвижение: сразу несколько фирм выпустили видеопроцессор со встроенным геометрическим сопроцессором, что значительно повысило производительность компьютера. Так, видеопроцессор GeForce 256 компании NVIDIA Corporation, состоящий из 23 млн. транзисторов, позволяет прорисовать 15 млн. полигонов и сформировать 480 млн. пикселов в секунду. Производительность видеопроцессоров увеличилась столь значительно, что это стало предметом некоторого косвенного конфликта между производителями центральных и графических процессоров. В конце 1999 года фирмы Intel и AMD провели тестирование компьютеров со своими новыми высокопроизводительными процессорами. По окончании этих тестов обе фирмы сообщили, что оптимальными (для работы с «быстрыми» процессорами) являются видеокарты, выполненные на видеопроцессорах предыдущего поколения. Причина конфликта понятна – новые геометрические процессоры обеспечивают столь высокую производительность, что требования к центральному процессору снижаются. А как утверждают специалисты по маркетингу, «продаются мегагерцы» и потребность в них снижается.

Уже сегодня имеется некоторый избыток производительности персональных компьютеров, который, конечно, будет исчерпан при переходе на фотореалистичное изображение. Но, очевидно, что уже в ближайшее время новый уровень производительности процессоров позволит справиться и с такими потребностями. После этого дальнейшее увеличение мощности компьютеров становится трудно обоснованным. И потому необходимо ответить на принципиальный вопрос

Что перспективно?

Перспективу, связанную с существенным снижением роста потребностей в персональных компьютерах, хорошо понимают многие фирмы, оказавшие влияние на становление компьютерной техники. У всех еще свежа в памяти история Digital Equipment Coip. (DEC). Эта фирма оказала, наверное, самое большое влияние на становление рынка малых компьютеров. Здесь были созданы: один из самых производительных процессоров, несколько операционных систем, во многом определивших их развитие, множество других интересных решений. Компания имела разветвленную инженерную и сервисную сеть по всему миру – более трех тысяч сертифицированных инженеров. Но недостаточный учет специфики современного рынка привел к тому, что более молодая, динамичная компания Compaq поглотила «патриарха» компьютерного бизнеса. Но были ведь еще Control Data Corp. (CDC – многопроцессорные быстродействующие компьютеры, определившие развитие этого направления), Boroughs (интересная внутренняя структура созданных компьютеров, расширивших представление об элементах компьютера и его структуре в целом), Cray (высокопроизводительные компьютеры, на несколько лет определившие вектор развития суперкомпьютеров). Кроме того, на рынке мощных компьютеров активно работали компании Univac, Honeywell и др. Все эти фирмы или поглощены или уже перестали заниматься компьютерами. Причина такого положения – неправильная оценка рынка компьютеров. Следует отметить, что многопрофильные фирмы, такие как IBM или HP, сохранили свое место и продолжают успешно работать.

Естественно, перспектива потерять свое место на рынке никого не привлекает. Многие фирмы как относительно маленькие, так и лидеры, ищут адекватный ответ на изменяющуюся ситуацию в технике и технологии. Начинается переход на новые рынки. Причем не переход на производство родственных продуктов, а существенное изменение профиля работы компании. И основной вектор изменений – поиск новых точек приложения сил, отход непосредственно от компьютеров.

И вот уже Dell Computer намерена отойти от основной специализации – выпуска компьютеров и переориентироваться на создание спектра услуг и программ для Internet-инфраструктур. Теперь, по словам Майкла Делла, компания будет выпускать Web-серверы, оказывать консалтинговые услуги по бизнесу, создавать венчурные фонды и «инкубаторы» для провайдеров прикладных услуг (ASP), Internet-провайдеров (ISP) и других компаний, использующих Internet для бизнеса.

Характерное заявление сделал управляющий компании Oracle Лэрри Эллисон. Он сказал, что развитие персональных настольных компьютеров является тупиковой ветвью прогресса, в отличие от Internet с его сетевыми возможностями. В планы Эллисона входит создание «тупых» компьютерных терминалов, представляющих собой монитор и клавиатуру, соединенные с общим сервером, на котором выполняются все пользовательские приложения. По его словам, такой план провалился из-за Билла Гейтса. Эллисон считает, что идея персональных компьютеров плоха необходимостью приобретения полного пакета программного обеспечения для каждого рабочего места, что выгодно для производителей программ и вендоров, но совершенно неудобно в плане фрагментированности информации и необходимости обновления каждого компьютера в отдельности вместо модернизации одного сервера. Однако Internet, по словам главы Oracle, решает проблему и позволяет системе «сервер + терминалы» работать не хуже любого персонального десктопа. Будущее, по Эллисону, представляется в виде серверов и терминалов. На серверах работают все необходимые программы и хранятся все данные.

В мае 2000 года отделившаяся от Oracle компания New Internet Computer Company (NICC) анонсировала новый тип PC, которому не нужен ни Windows, ни жесткий диск. Это устройство, получившее название «новый Internet-компьютер» и предназначенное для работы в Internet. Компьютер стоит всего 199 долларов (без монитора). Его дешевизна обусловлена тем, что ему не нужны высокопроизводительные комплектующие, а многие функции выполняются серверами, к которым подключен компьютер. Вопрос обновления программного обеспечения решается на сервере, т. е. в едином центре. Естественно, общие расходы на пользование компьютером (стоимость приобретения и стоимость эксплуатации) становятся заметно меньше.

Не менее характерное заявление сделал другой мэтр информационной индустрии – Том Энджибоу, генеральный директор компании Texas Instruments, одного из крупнейших производителей компьютерных чипов. Он считает, что эра персональных компьютеров подходит к концу и им на смену идут мобильные устройства с постоянным широкополосным соединением с Internet. Такой вид связи позволит передавать большой объем данных. Пользователь такого устройства сможет в любой момент воспользоваться всеми услугами Internet. Выпуск первых телефонов нового поколения был запланирован на весну 2001 года в Японии.

Даже крупнейший производитель процессоров – компания Intel проводит реорганизации. Из последних реорганизаций самая заметная – появление новой Wireless Communications and Computing Group, ядром которой стала купленная DSP Communications. Intel начала продвигается на рынок связи. Продолжая политику расширения номенклатуры выпускаемых устройств, фирма готовит к выпуску DSL-модемы и карты для беспроводных сетей. Компания объявила и о готовящемся выпуске адаптера, использующего радиосвязь, для домашних сетей AnyPoint. Одновременно Intel объявил о намерении заняться выпуском Internet-приставок под управлением Linux, с ценой порядка 300–700 долларов и месячной платой около 25–30 долларов. Предполагается, что это будет что-то со своим монитором, клавиатурой, обязательно сильной интеграцией с телефоном (автоответчик и прочие подобные функции), возможно использование DSL. Естественно, все это – Intel, Intel Inside и т. д. Компания планирует выпустить большое количество разнообразных устройств и наводнить ими рынок. Устройства будут предложены крупным Internet-провайдерам для перепродажи клиентам. Intel также начнет выпускать программное обеспечение для управления ими. Уже заключены соглашения между Intel и Lucent Technologies, а также порталом InfoSpace.com.

Понимание потенциальных ограничений дальнейшего развития собственно компьютеров ставит новый вопрос

Во что трансформируется компьютер?

Сегодня становится ясно, что большая часть компьютеров как в офисах, так и дома, используется с незначительной загрузкой: домашние PC используются как игровые или для «прогулок» по Internet, на большинстве офисных компьютеров выполняются только части стандартных офисных приложений, например из MS Office. Но с этими специфичными задачами лучше справляются специальные компьютеры. И за меньшую стоимость. Уже сегодня Play Station 2 (компании Sony) позволяет играть в различные игры великолепного качества. И нет необходимости «загружать» компьютер, вызывать игру и делать многое другое, прямо не относящееся к игре. Проще и удобнее. С высококачественным изображением. И все это за 300 долларов.

Другое направление трансформации PC – создание Web-планшетов, устройств для простого и удобного «планирования» по Internet. Это компьютер с жидкокристаллическим дисплеем, расположенным на его внешней поверхности, не имеющий клавиатуры. Зато компьютер ориентирован на распознавание рукописного ввода и речи. Естественно, встроенный модем. Это удобное устройство для доступа в Internet. Единственный недостаток – высокая цена, которая определяется высокой стоимостью экрана и малым объемом производства. Очевидно, при увеличении производства цены снизятся. Одновременно появились Web-планшеты, в которых в качестве экрана и колонок используется телевизор. То есть другой вид недорогих телевизионных приставок.

Можно ожидать также и появления специальных офисных компьютеров (интеллектуальных пишущих машинок), в постоянной памяти которых будут записаны программы, необходимые для работы именно в данном офисе. Такие компьютеры позволят выполнять основные программы гораздо быстрее и проще.

Следует учесть, что многие специалисты IT-бизнеса предвидят значительный рост числа специализированных компьютеров. Так Билл Гейтс полагает, что в будущем привычные персональные компьютеры будут вытеснены набором более компактных машин, исполняющих специальные функции. То есть не будет одного персонального компьютера на все случаи жизни, заявил Билл Гейтс на Consumer Electronics Show 2000. Новые приборы могут быть установлены в различных частях квартиры или дома и в машине. Объединенные в общую сеть и подключенные к Internet, компактные компьютеры станут важной частью домашнего хозяйства.

Итак, развитие компьютерного рынка не будет в ближайшем будущем столь же стремительным как в последнее десятилетие XX века. Уже в ближайшее время компьютер станет привычным изделием, более дорогим, чем радиоприемник, но более дешевым, чем автомобиль. Естественно, бурный рост здесь должен в ближайшее время прекратиться. А компьютерные компании начнут миграцию к другим видам бизнеса.

Можно также прогнозировать трансформацию современного универсального компьютера в целый ряд специализированных устройств, ориентированных на выполнение относительно узкого круга задач, но позволяющих решать эти задачи эффективнее и с меньшими затратами труда.

Поэтому, несмотря на ожидаемое уменьшение производства PC, можно прогнозировать увеличение выпуска нескольких направлений специализированных устройств. И общее их количество может быть значительно большим, нежели количество универсальных компьютеров.

Опыт последнего десятилетия показывает, что с увеличением мощности компьютеров растет и их влияние на реальное производство. Мощный сервер позволяет, в частности, оптимизировать подбор вариантов маршрута при длительных поездках с множеством пересадок, проживании в различных отелях, посещении всевозможных мероприятий. Такая задача стоит в больших туристических агентствах. Здесь к одной базе одновременно обращаются операторы из разных точек и число операторов может составлять тысячи. Для работы такой базы требуется мощный сервер, в противном случае компьютер «захлебнется» в потоке запросов, а работа всего агентства будет остановлена.

«Большой счет»

Первоначально компьютер разрабатывался для больших вычислений, связанных с ядерными и ракетными исследованиями. В дальнейшем область применения компьютеров существенно расширилась, однако потребность в расчетах не только не уменьшилась, но и заметно возросла. Возможность моделирования изменений, происходящих в ядерных зарядах в течение времени хранения, позволила отказаться от испытаний ядерного оружия: до этого испытания проводились, в основном, для проверки хранящихся зарядов. Так, мощный многопроцессорный компьютер Blue Pacific компании IBM используется именно для симуляции ядерного вооружения. Можно сказать, что успех на переговорах по прекращению ядерных испытаний принадлежит не дипломатам, а компьютерщикам.

Не менее масштабные вычисления применяются при проектировании авиационной и ракетной техники. А космонавтика изначально началась с расчетов. Моделирование параметров самолетов и ракет требует огромных вычислительных мощностей – например, для нормального расчета поверхности самолета необходимо вычислить параметры воздушного потока в каждой точке крыла и фюзеляжа (реально на каждом квадратном сантиметре). Иными словами, требуется решить дифференциальное уравнение для каждого квадратного сантиметра, а площадь поверхности самолета десятки метров. Таким образом, для расчета оптимальной геометрии необходимо получить миллионы решений дифференциальных уравнений. И при изменении геометрии поверхности – снова все пересчитать. Эти расчеты должны быть сделаны быстро, иначе процесс проектирования затянется неоправданно долго. Конечно, может быть проведено моделирование в аэродинамической трубе, но этот способ не только дороже в десятки раз, но и несоизмеримо дольше: процесс может затянуться на годы. Иными словами, без компьютеров невозможно развитие авиации и ракетной техники. В дальнейшем, при усложнении этой техники, потребность в больших вычислениях только увеличится. А значит, необходимы будут все новые и все более мощные суперкомпьютеры.

Медицина и биологические исследования

Для решения вопросов по геному человека правительство США выделило несколько миллиардов долларов, большая часть которых направляется на создание суперкомпьютеров. В частности, IBM получила заказ на создание компьютера с несколькими десятками тысяч процессоров, который должен принять участие в работах по геному. Расшифровка генома человека – эффектный, но не единственный результат использования компьютеров в биологии: разработка и создание новых медицинских препаратов сегодня возможны только с использованием мощных компьютеров.

Еще не так давно создание нового лекарства занимало 5–7 лет и требовало значительных финансовых затрат. Сегодня же лекарства моделируются на мощных компьютерах, которые не только «строят» сложные молекулы, но и оценивают их влияние на человека. Чтобы учесть сложность молекулы и многофакторность их взаимодействия, требуются значительные вычисления. Поэтому в последнее время самые мощные компьютеры создаются для биологов. Из наиболее известных компьютеров можно назвать Deep Blue компании IBM, который выиграл шахматный матч у Г. Каспарова. А создавался этот компьютер для исследования новых лекарственных препаратов, чем и занялся после победы. Американские ученые создали препарат, способный бороться со 160 вирусами. Это лекарство было смоделировано на компьютере в течение полугода. Иной способ его создания потребовал бы нескольких лет работы. А в Los Alamos National Lab всемирная эпидемия СПИДа была «прокручена» назад к ее истоку – вирусу ВИЧ Ева, который появился, вероятно, в 30-е годы нашего столетия. Данные о копиях вируса СПИДа были заложены в суперкомпьютер, что позволило определить время появления первого вируса – 1930 год.

Геном расшифрован. Но это только начало огромной работы по созданию новых лекарств, лечебных методик и т. д. И реальное продвижение здесь может быть только при использовании суперкомпьютеров.

Internet

Бурное развитие Internet привело к тому, что объем информации в Сети достиг невиданных размеров и продолжает увеличиваться – только сайтов уже более двух миллионов. Информация на сайте растет нелинейно – кроме увеличения данных, меняется и форма их представления: в дополнение к тесту и рисункам прибавились музыка видео, анимация. В результате такого бурного роста возникли две проблемы: необходимо хранить большой и все возрастающий объем данных и сократить время поиска нужной информации. Для решения этих задач сразу несколько компаний предложили мощные серверы, основанные на 64-битных процессорах. Это IBM, Hewlett-Packard, Sun и Compaq. Intel также обещает в ближайшее время выпустить 64-разрядный процессор. Использование мощных процессоров позволило существенно сократить время поиска необходимых данных, а «длинные» адреса обеспечили выборку данных из огромных хранилищ.

Для организации работы с большими объемами данных, кроме мощных процессоров и больших дисков, необходимы также программные средства, способные справиться с таким потоком данных. Созданные несколькими фирмами (Oracle, Sybase, IBM и др.) системы управления базами данных оказались незаменимыми для этих целей. Как следствие, резко возрос сбыт этих систем, что привело к росту стоимости акций указанных компаний (особенно заметны успехи на финансовом поприще компании Oracle).

Очевидно, что дальнейшее увеличение мультимедийных форм представления информации в Internet потребует еще более емких хранилищ данных, доступ к которым должен быть как можно более быстрым.

Суперкомпьютеры везде и для всего

Множество сфер современной жизни требует использование суперкомпьютеров. А некоторые отрасли принципиально не могут развиваться без математического моделирования, требующего огромных вычислений за ограниченное время. Вот только некоторые из примеров.

Использование крупных компьютеров в банковской сфере обеспечивает не только оперативную обработку данных по движению средств, но и позволяет прогнозировать развитие финансового рынка. Точность и оперативность получения данных напрямую зависят от производительности компьютера. А только эти данные позволяют банку эффективно работать.

Компания IBM объявила о создании компьютера, который содержит 1152 процессора. Свою новую разработку IBM собирается предоставить для американских академических исследований. Ту же концепцию IBM хочет применить и в следующих своих суперкомпьютерах: ASCI White, который будет выполнять те же функции, что и Blue Pacific, а также в Blue Gene, который будет задействован в генетических исследованиях.

IBM также сообщила о поставке компьютера Blue Wave Военно-морскому флоту США. Стоимость этой версии IBM RS/6000 SP составила 18 млн. долларов. Это будет самый производительный компьютер в Министерстве обороны, что позволит военным создавать наиболее точные модели мировых океанов. Вычисления суперкомпьютера дадут возможность прогнозировать штормы, а также помогут в поиске кораблей и спасательных работах.

Но не только IBM разрабатывают суперкомпьютеры. Так, Compaq Computer Coip. создает крупнейший в Европе суперкомпьютер, созданный на основе Compaq AlphaServer под управлением операционной системы Tru64 UNIX. В компьютере используются более 2500 процессоров Alpha. Французская Комиссия по ядерной энергии будет использовать суперкомпьютер для программ моделирования в целях обеспечения надежности и безопасности французских ядерных арсеналов без проведения новых ядерных испытаний. Кроме того, суперкомпьютер будет применен для других исследований в рамках основной программы моделирования. Compaq также получил контракт в 200 млн. долларов от Министерства энергетики США на создание самого большого в мире суперкомпьютера, названный «ASCI Q». Он будет иметь производительность более 30 терафлоп и может быть модернизирован до 100 терафлоп к 2005 году.

Мощные компьютеры создают также Hewlett-Packard, Sun, Silicone Graphics.

Кроме того, суперкомпьютеры применяются в области метеорологии, системах проектирования и управления предприятиями, в кинематографии и некоторых других сферах реального производства и искусства. Можно смело утверждать, что существует все более расширяющаяся область человеческой деятельности, в которой потребность во все более мощных компьютерах сохранится.

Стандартные процессоры для суперкомпьютеров

Принципиальной особенностью новых суперкомпьютеров является использование в них множества стандартных процессоров. Такое решение, характерное для всех «игроков» данного сектора IT-бизнеса, позволяет использовать один процессор для персональных компьютеров, рабочих станций и суперкомпьютеров. В ближайший год компания IBM выпустит новый Unix-сервер под рабочим названием Regatta. Он будет поддерживать 32 процессора Power 4–8 модулей по 4 процессора на каждом. Центром компьютера станет высокоскоростной коммутатор, объединяющий процессорные модули. В Regatta будет использована технология NUMA (Nonuniform Memory Architecture – технология принадлежит фирме Sequent Computer Systems, которую не так давно приобрела IBM), позволяющая разбить память на несколько разделов для независимого обслуживания каждого из процессоров. В результате на рынке появится серийный относительно недорогой сервер, который позволит поднять производительность на качественно новый уровень.

Естественно, серийный выпуск такого сервера заставит и другие компании производить аналогичные компьютеры. Суперкомпьютеры начинают выпускать даже фирмы, ранее не занимавшиеся разработкой и производством мощных компьютеров. Так, фирма Sony начала производство 16-процессорного компьютера Gcube, имеющего форму куба. Этот компьютер предназначен для обсчитывания 3D сцен (для кинопроизводства или для современных компьютерных игр) в реальном времени. Процессоры – стандартные от PlayStation2. Sony заявляет, что выходящий в следующем году новый GCube будет построен уже на базе 64 процессоров, что обеспечит построение 4,16 млрд. полигонов при 60 кадрах в секунду и при разрешении 1,080 на 1,980. Для наглядности можно привести слова вице-президента Square, создателя Final Fantasy: «Сегодня Square обсчитывает один кадр из готовящегося на следующий год фильма по этой игре 5 часов. На GCube это происходит в реальном времени – обсчитывание одного кадра занимает 1/30 секунды». Тем самым на качественно новый уровень поднимается процесс кинопроизводства: не только сокращается время производства, но и существенно снижается стоимость фильма (или игры).

Иными словами, мощные вычислительные средства, выполненные на стандартных серийно выпускаемых (и потому недорогих) процессорах становятся доступными большому числу пользователей в самых разных отраслях экономики.

А что же с мощными «векторными» суперкомпьютерами, которые были самыми производительными в 80-е годы прошлого века? Рынок этих компьютеров был в те годы достаточно прибыльным и составлял более 1 млрд. долларов в год. «Главными игроками» на этом рынке были японские NEC и Fujitsu, а также американская Cray Research. В настоящее время это соревнование завершилось. И победителей нет: в 2001 году объем продаж векторных суперкомпьютеров (по данным NEC) составит менее 600 млн. долларов. Взамен специализированных суперкомпьютеров приходят многопроцессорные системы на стандартных процессорах – такие суперкомпьютеры позволяют получить высокую производительность при значительно меньших затратах.

Легко представить, что вскоре среди других показателей экономического развития страны (таких, как выработка электроэнергии или производство стали) будет указываться и суммарная производительность компьютеров – именно этот показатель будет непосредственно влиять на экономику.

Многие современные домашние устройства имеют все или часть элементов персонального компьютера: процессор, память, средства ввода и вывода информации. А процессор, в свою очередь, присутствует практически во всем, к чему подведено электричество – сегодня реализовывать функции контроля и управления дешевле с использованием процессора, чем с помощью специальных устройств автоматики. Все больше появляется экранов – в микроволновых печах и холодильниках, в стиральных и швейных машинах, в телевизорах и телефонах, музыкальных центрах и кондиционерах и т. д. Звуковые сигналы и даже синтезаторы голоса также давно не редкость. А различные клавиатуры есть везде и всюду. То есть многие домашние устройства как бы интегрировали в себя персональный компьютер. Однако большинство этих устройств не имеют средств коммуникации, и общение с ними возможно только непосредственно, что не всегда удобно. Ближайшие перспективы связаны с конвергенцией различных устройств с компьютером, а также с локальными и глобальными сетями.

«Возьмемся за руки, друзья.»

Когда речь заходит о глобальной информационной сети, все понимают, что это Internet. Сегодня разнообразные локальные сети являются экзотикой для дома, но стали уже стандартным элементом офиса. Развитие домашних цифровых сетей набирает скорость, и все больше домов оснащаются ими. Можно указать два вида домашних сетей: локальная сеть многоквартирного дома, в которой квартира – один абонент, и локальная сеть одной квартиры или частного дома. В первом случае сеть полностью аналогична офисной, а конкретным устройством, имеющим выход в сеть, является домашний компьютер. Второй вариант более интересен и перспективен.

Одна из проблем, которая возникает при создании домашней сети, – относительно высокая стоимость прокладывания специального кабеля для соединения домашних устройств между собой. Однако в доме уже имеется несколько линий, по которым передаются электрический ток, телефонные сообщения и телевизионный сигнал. Естественно появляется желание использовать эти провода и кабели для передачи по ним цифровых данных внутри дома. Уже несколько лет выпускаются адаптеры, позволяющие передавать цифровые сигналы по электрическим проводам. Давно имеются адаптеры, работающие с телефонной проводкой. Фирма Farallon объявила о поставках очередного своего продукта – HomeLINE USB Adapter. Скорость передачи данных с использованием этих адаптеров – 1 Мбит/с, что соответствует стандарту HomePNA 1.1.

Сегодня выработано несколько стандартов домашних сетей, в том числе HomeRF, HomePlug, Home Phoneline Network Alliance (HPNA) и целых три версии 802.11. И компании продолжают выпускать на рынок продукты, работающие в различных стандартах, в надежде, что именно этот стандарт станет определяющим. Основным рынком для всего этого изобилия видится, прежде всего, 12,4 млн. американских семей, которым, по расчетам экспертов, в 2002 году понадобится оборудование для локальных сетей.

Все существующие варианты делятся на четыре типа: сеть по электрокабелям, беспроводные, по телефонным линиям и кабельный Ethernet. Все стандарты имеют свои преимущества и предоставляют сопоставимую скорость доступа. Эксперты сходятся во мнении, что для компьютеров в одной комнате будут использоваться Ethernet-решения в силу их дешевизны и легкости прокладки кабеля. Для соединения устройств в доме, скорее всего, доминировать будет беспроводная связь (в которой основная борьба идет между стандартами 802.11 и HomeRF).

Проводятся работы по включению в домашнюю сеть бытовых приборов. General Electric сообщила о соглашении, достигнутом с Microsoft, по совместной разработке стандарта, с помощью которого бытовые приборы могут быть соединены между собой в сеть. GE заявила о намерении вступить в Universal Plug and Play Forum, открытый Microsoft, и объединяющий Sony, IBM и Intel. Уже продемонстрированы «умные» приборы от GE – микроволновая печь, считывающая штрих-коды продуктов, и холодильник, подключенный к Internet и предоставляющий возможность владельцу отслеживать его содержимое по Сети. Сразу несколько компаний начали разрабатывать программное обеспечение для домашних сетей. Sun и Thalia Products, подразделение Sunbeam, начали совместную работу по созданию программного обеспечения, которое обеспечивает связь между различными бытовыми приборами. ПО совместимо со всеми основными стандартами, включая Jini, Java и XML.

Выход в большой мир

Очевидно, что домашняя сеть должна иметь выход в Глобальную Сеть, что позволит хозяину всегда контролировать ситуацию в доме и давать указания приборам выполнять те или иные действия. Ведущие IT-компании мира объединяются для решения задачи обеспечения быстрого и качественного выхода в Internet. В частности, NTT Mobile Communications, IBM Japan, Sony, Hitachi, Shaip, Mitsubishi Electric, Fujitsu и Matsushita входят в число 14 компаний, которые объединяют усилия вместе с японским Министерством почт и телекоммуникаций в разработке некомпьютерных устройств для доступа в Internet. Среди этих устройств – мобильные терминалы и телевизоры. В проекте предусмотрена разработка к 2003 году устройств без клавиатуры, которыми смогут пользоваться даже дети. Это позволит увеличить число потенциальных пользователей Internet в мире с 17 до 70 млн. Уже начаты разработки браузера Internet для использования с цифровыми телевизорами, а также стандартного метода оплаты банковских счетов с использованием мобильных информационных терминалов.

Одновременно IT-фирмы расширяют свой бизнес, организуя новые направления деятельности и покупая компании, достигшие реальных результатов в перспективных направлениях. Motorola приобрела компанию General Instrument (GI), которая производит устройства доступа к сети на основе телевизоров. Motorola надеется стать доминирующей компанией на рынке так называемых «конвергентных» сетей, позволяющих одновременно передавать телевизионные видеопотоки и цифровые мультимедийные данные с небольшими финансовыми затратами. Motorola преуспела в технологиях передачи звука, данных и в мобильных беспроводных коммуникациях, a GI сильна на рынке передачи видеопотоков и данных. Motorola также стала держателем 80 % акций в компании высокоскоростных коммуникаций Next Level Communications, которая сообщила, что будет использовать технологии Motorola для развития домашних систем интерактивного видео, игр, музыкального и информационного сервиса, а также беспроводного доступа в Internet. Этот союз позволит объединить беспроводные технологии и интерактивное ПО компании Motorola с системами, действующими на основе цифровой выделенной линии.

Сегодня рассматриваются три основных технических решения, которые позволят увеличить скорость обмена данными с Сетью: применение специальных модемов для телефонных линий, использование спутниковых систем передачи и сетей кабельного телевидения.

Среди технологий, обеспечивающих высокоскоростную передачу данных по телефонным линиям, можно выделить ADSL – телекоммуникационную технологию, позволяющую отправлять данные на скорости 1,5 Мбит/с и вести прием данных на скорости до 7 Мбит/с (асимметричная технология восходящего и нисходящего трафика). При этом на АТС и у абонента устанавливаются специальные устройства – сплиттеры. К абонентскому сплиттеру подключаются телефон и ADSL-модем. Работа модема не мешает обычной телефонной связи. Высокие скорости позволяют получать необходимую информацию без заметных временных задержек. Однако здесь требуется специальное дорогое оборудование.

Спутниковые системы передачи данных давно уже стали общепринятыми. Все более широко используется спутниковое телевидение, позволяющее принимать качественное изображение практически в любой точке Земли. Через спутник можно также передавать и данные из Сети. Однако здесь возможна только односторонняя передача информации – от наземной станции к спутнику и далее – к абоненту. И хотя возможна установка передающего блока непосредственно у абонента, это слишком дорого для индивидуального пользователя. Многие организации, например платежные или банковские системы, работают через спутник. Для большинства индивидуальных пользователей характерен асимметричный трафик – отправляя в Сеть относительно короткий запрос, они получают данные значительно большего информационного объема, например графику, музыку, видеопоток. Потому асимметричный трафик не является препятствием для нормальной работы в Internet. А для восходящего трафика может использоваться модем и коммутируемая телефонная линия. Скорость передачи данных по спутниковым каналам также достигает нескольких мегабит в секунду. Однако использование геостационарных спутников привело к определенным временным задержкам в реакции на посланный сигнал – время на движение сигнала от передающей станции до спутника и от него до приемной антенны составляет несколько секунд. Именно поэтому в настоящее время реализуются (более или менее успешно) несколько проектов использования спутников-ретрансляторов, расположенных на низких орбитах, например проект Iridium. В таких проектах применяется несколько десятков спутников, находящихся на орбитах в 200–250 км от Земли. При этом в любой точке Земли всегда виден хотя бы один из спутников, с которым и связывается абонент.

Использование сетей кабельного телевидения для выхода в Сеть позволяет передавать информацию с еще большей скоростью – более 10 Мбит/с. Практически во всех крупных городах имеются значительные и разветвленные сети кабельного телевидения, подведенные к каждой квартире. Таким образом существенно снижаются затраты на организацию сетей. В сетях кабельного телевидения достаточно просто организуется симметричный трафик. Все эти особенности позволяют прогнозировать активное использование сетей кабельного телевидения для выхода в Internet.

Ведутся работы по применению уже имеющихся неинформационных сетей для передачи информации. Фирма Nortel совместно с английской Norten Communications разработала технологию передачи информации по электрическим сетям. Ожидается, что многие европейцы смогут подключиться к Сети «через электрическую розетку».

Интеллектуальный дом

К самому дому, играющему важную роль в жизни человека, предъявляются требования интеллектуальности. Интеллектуальный дом, оснащенный приборами и устройствами, способный самостоятельно принимать решения в пределах своей компетенции, обеспечивает больший комфорт и безопасность с меньшими затратами. Анализ ситуации и принятие решения в доме проводятся сегодня специальным компьютером, к которому предъявляются жесткие требования по надежности. И уже несколько компаний, в том числе IBM, предложили специальные высоконадежные компьютеры с соответствующим ПО для управления домашней сетью, т. е. всеми устройствами в доме.

К тому, что компьютер может самостоятельно работать с Internet, все уже привыкли. А то, что с Сетью могут общаться и достаточно простые устройства, это пока экзотика. Тем не менее эти устройства есть, и номенклатура их растет.

Первым из устройств, имеющих доступ в Internet, была микроволновая печь. Главная причина этого – наличие в печи процессора, клавиатуры и дисплея. Добавленный модем и программное обеспечение позволили хозяйкам выходить в Сеть непосредственно с печки. Используя данное устройство, можно заказывать продукты в магазинах и контролировать работу печки, находясь вне дома. Иными словами, можно будет включить печку перед выходом с работы и по приезду домой сразу же получить горячее блюдо.

LG Electronics представила первый цифровой Internet-холодильник Digital Dios Refrigerator. Помимо основного предназначения, он может быть использован для доступа к Web-сайтам, электронной почте и связи по видеотелефону. Холодильник может отслеживать нехватку продуктов и заказывать их через Internet. Он оборудован 15,1-дюймовым жидкокристаллическим дисплеем и видеокамерой. Internet LG Turbo Drum Washing Machine – стиральная машина LG Electronics, имеющая доступ в Internet. Стиральная машина имеет: RISC-процессор, цветной экран размером 4,2 дюйма, флэш-память объемом 4 Мбайт, так что в скором времени можно ожидать организации выхода в Сеть «напрямую».

Израильская компания Connect One и фирма NAMS, изготовитель счетчиков электроэнергии, объявили о выпуске счетчика NMM-AKB с встроенным Internet-протоколом и модемом iModem фирмы Connect One. Встроенный iModem посылает и принимает данные в виде сообщений электронной почты непосредственно через Internet-провайдера, без соединения с локальной вычислительной сетью или персональным компьютером. Это дает возможность контролировать потребление энергии каждым клиентом, а также посылать на счетчик изменения тарифов оплаты.

Крупнейшая в Японии компания по производству швейных машин Jaguar International начала продавать швейные машинки, соединенные с Internet, для загрузки с Web-сайта компании программ для шитья одежды.

В дальнейшем можно ожидать создание комплексных устройств, совмещающих, например, функции холодильника и микроволновой печи. Подключение такого устройства к Internet позволит получить данные о наличии продуктов в холодильнике и их состоянии (заморожены, охлаждены и т. д.). После этого можно дать указание разморозить и по определенной программе приготовить соответствующие блюда.

Ericsson и Electrolux создали компанию Е2-Ноше, которая будет разрабатывать устройства для интеллектуального дома. Специалисты компании считают, что центром современного жилища становится кухня. Исследования, проведенные Electrolux, показывают, что более 40 % своего времени (за исключением сна) современный человек проводит на кухне. Соответственно, консоль управления домом должна располагаться на кухне, и как считают в Е2-Ноше, на холодильнике. В результате был создан холодильник Screen Fridge с цветным сенсорным дисплеем, вмонтированным в дверь. Возле дисплея расположена схема Bluetooth с антенной. На дисплей выводятся иконки для управления различными бытовыми приборами. Нажатием иконки каждого устройства вызывается именно его пульт управления. Теперь можно выбирать режим работы этого устройства. Над дисплеем видна маленькая линза – это камера, позволяющая записывать видеопослания домочадцам. Каждый член семьи имеет собственную иконку, которая светится, если он оставляет сообщение.

Холодильник можно подключать к Сети. Как считают разработчики, Screen Fridge сможет учесть, что уже съедено, оценить имеющиеся запасы и послать по электронной почте новый заказ в Internet-магазин. Распознавание продуктов пока проводится по штрих-коду (так же, как это делается в магазине на кассовом терминале). Специалисты Е2-Ноше считают, что сканирование штриховых кодов неудобно, и пытаются убедить пищевую промышленность использовать бирки, излучающие радиосигналы. Тогда при загрузке и выгрузке продуктов холодильник улавливал бы сигналы, «подаваемые» продуктами. В Копенгагене и Стокгольме уже начались испытания новой технологии.

Уже сегодня продукты можно заказывать в магазине, послав заявку по Сети. Однако для многих Internet-магазинов главной проблемой является доставка купленного товара – Сеть позволяет сделать покупку на любом удалении от магазина, а вот чтобы доставить ее покупателю необходимо значительное время и затраты труда, что приводит к резкому увеличению стоимости покупки. Как следствие, привлекательность Internet-торговли падает. Поэтому сегодня вопрос автоматизации доставки купленного товара является чрезвычайно важным. С середины XIX века развивалась система пневмопочты, позволяющая доставлять по зданию или городу небольшие посылки с высокой скоростью. Так, в Париже было проложено более 600 км пневмопочты: «пневмотички» доставлялись в ближайшее почтовое отделение, и почтальон приносил письмо домой не более чем через 45 мин после отправки. Но все равно требовался почтальон, да и размер посылки был ограничен[26]. Роботы способны качественно изменить эту ситуацию. Муха-робот[27] может явиться базовым элементом системы доставки различных товаров на дом. Достаточно оснастить этот робот системой глобального позиционирования, сообщить точный адрес доставки, и покупка будет доставлена. Доработки – минимальные – надо только подготовить приемный лоток в доме. Применяющиеся во многих армиях мира (в России, США, Израиле и других странах) беспилотные самолеты способны перевозить груз на сотни километров. Таким образом, проблема автоматизации доставки покупки будет решена.

Теперь в полностью автоматизированном режиме можно сделать необходимый заказ в магазине, получить его, загрузить в холодильник и приготовить любимое блюдо.

Телевидение с обратной связью

Для абсолютного большинства современных людей телевидение является основным источником информации. Однако в нынешнем виде телевидение как система работы с информацией уже не может удовлетворять современным требованиям. И основной недостаток – отсутствие обратной связи, возможности индивидуальной работы с конкретным зрителем. Конечно, огромное количество каналов позволяет выбрать необходимую именно тебе программу. Но передача может передаваться в неудобное время. Или последовательность должна быть другой. Или хочется иного финала фильма. Необходимо заказать именно это и именно для тебя, т. е. на твой телевизор.

Фирма Telewest Communications заявила, что еще 15 ведущих компаний согласились участвовать в развитии ее интерактивных услуг Digital interactive. В числе этих компаний – Bloomberg TV, Gameplay.com, Yellow Pages. Услуги будут поставляться по широкополосной сети кабельного телевидения, которая будет работать значительно быстрее, чем существующие спутниковые и телефонные каналы связи.

Корпорации Nokia и Intel объявили о заключении соглашения об объединении усилий по разработке решений, благодаря которым телезрители получат доступ как к находящемуся в стадии внедрения телевещанию по каналам Internet, так и к широкому спектру уже имеющихся Internet-услуг. Таким образом, обеспечивается возможность интерактивного вещания. Устройства создаются на основе технологий Nokia и Intel, открытых стандартов и спецификаций, включая DVB (цифровое телевещание), Internet-протоколы и ATVEF, а также на открытых исходных текстах ПО, в том числе ОС Linux и браузера Mozilla. Спецификация ATVEF разработана корпораций Intel и принята Nokia в качестве стандарта. ATVEF обеспечивает возможность единовременной разработки информационного наполнения для его последующей загрузки на различные платформы через любые коммуникационные каналы. Применяемые в спецификации ATVEF Internet протоколы позволяют совместить трансляцию потокового видео с передачей данных.

Естественное желание человека жить в более комфортных условиях с меньшими затратами сил и средств является одним из наиболее устойчивых стремлений человечества. Пришедшее в дом цифровое управление с гибкой логикой подняло комфорт на недоступный ранее большинству людей уровень. И в дальнейшем этот уровень будет возрастать.

Микропроцессор. Мы так привыкли к этому названию, что уже не вспоминаем, что еще не так давно (лет тридцать тому назад) процессоры были далеко не «микро». Более того, первые процессоры были механическими. Совсем недавно в бухгалтериях использовались механические счетные машинки, в которых арифметические действия выполнялись с помощью набора вращающихся зубчатых колес. Первые компьютеры, выполненные на электронных лампах, имели процессоры, занимающие несколько комнат. Транзисторные компьютеры были значительно меньше – их процессор умещался в нескольких шкафах.

Немного истории

И только в 1971 году компания Intel, объединив в одном кристалле несколько тысяч транзисторов, создала первый микропроцессор – легендарный Intel 4004. Название показывает, что этот прибор мог работать с 4-разрядными словами. Низкая частота работы и ограниченный набор инструкций (команд для выполнения программы) – так можно говорить только сегодня. А тридцать лет назад это был лучший процессор и единственный «микро». 4-разрядная структура процессора Intel 4004 означает, что для обработки 16-разрядного слова необходимо устанавливать четыре микропроцессора, на каждом из которых ведется работа с четырьмя разрядами. На рис. 2.1 показана структура 16-разрядного процессора, выполненного из четырех 4-разрядных микропроцессоров. На одном микропроцессоре можно проводить вычисления 4 раза, т. е. затрачивать на обработку одного слова 4 такта работы компьютера. На рис. 2.2 показана организация работы одного процессора при переработке 16-разрадного слова.

Рис. 2.1. Структура 16-разрядного процессора

Рис. 2.2. Организация работы одного процессора

Для того чтобы не увеличивать габариты компьютера и ускорить его работу, процессоры стали делать многоразрядными: Intel 8086, 80186 и 80286 работали с 16-разрядными числами, а начиная с Intel 80386 процессоры стали 32-разрядными. Теперь подошло время 64-разрядных процессоров.

Немного классификации

Сегодня можно выделить три основных класса компьютеров: мощные серверы и суперкомпьютеры; персональные компьютеры (PC), мобильные компьютеры. Некоторые компьютеры находятся на «границе» между классами. Так, мощные рабочие станции по своим характеристикам ближе к серверам, хотя предназначены для персонального использования, как PC. Соответственно, выпускается три группы микропроцессоров, каждая из которых ориентирована на свой класс компьютеров. В табл. 2.1 приведена классификация основных выпускаемых сегодня процессоров.

Современные процессоры имеют центральную часть (ядро), окруженную дополнительными узлами. На одном кристалле, кроме процессора, находятся также сопроцессор (обеспечивающий работу с числами с плавающей точкой), схемы работы с группами операндов, кэш-память (объемом до нескольких мегабайт) и другие узлы. Реально собственно процессор (его ядро) занимает на кристалле не более 10 % площади. Одно ядро может использоваться для процессоров, ориентированных на различные сегменты рынка. Сегодня процессоры характеризуются следующими параметрами:

• количество транзисторов в одном кристалле превосходит 40 миллионов;

• частота работы – 2 ГГц;

• разрядность обрабатываемого слова – 32 или 64;

• число инструкций – превысило 200.

И вот в своем поступательном движении процессор достиг определенного предела[28]. И, естественно, стал трансформироваться, причем сразу в трех направлениях.

Во-первых, на одном кристалле стали размещать сразу несколько процессоров. Такое построение является идеальным для создания многопроцессорных компьютеров[29]. Двухпроцессорные кристаллы выпускают IBM и Sun. Intel также сообщил о начале работ над микросхемой, включающей два процессора, каждый из которых имеет свою кэш-память и общий кэш второго уровня.

Во-вторых, процессор стал включать в себя дополнительные устройства, такие как звуковые схемы, устройства для работы с графикой, узлы ввода/вывода информации и другие элементы, позволяющие значительно сократить число электронных компонентов в компьютере. Такое решение очень актуально для мобильных устройств. В процессоре MediaGX (National Semiconductor), сделанном по идеологии PC-on-a-chip (компьютер на кристалле), к ядру добавлены контроллеры памяти и видеоускоритель. Здесь же находится кэш-память объемом 64 Кбайт.

Третье направление связано с дальнейшей интеграцией. К микропроцессору (CPU) были добавлены необходимые для компьютера устройства. В результате на одном кристалле реализован микрокомпьютер, который состоит из:

• микропроцессора, предназначенного для обработки информации;

• постоянной памяти (RAM), в которой записаны операционная система и рабочие программы;

• оперативной памяти (ROM), служащей для хранения промежуточных данных;

• энергонезависимой памяти (EEPROM), в которой размещаются данные, изменяющиеся относительно редко;

• системы контроля времени (TIME);

• системы ввода-вывода данных (I/O).

На рис. 2.3 показана структура микрокомпьютера и организация связи между его элементами.

Рис. 2.3. Структура микрокомпьютера

Именно эти устройства сегодня применяются в самых различных изделиях как бытовых[30], так и производственных. Такие же микрокомпьютеры используются в интеллектуальных банковских карточках[31] и мобильных телефонах[32]. Микрокомпьютеры, как правило, решают ограниченный круг задач. Поэтому их программное обеспечение неизменно и находится в RAM. Все мы, пользователи бытовых приборов или промышленных установок, не знаем, какой конкретно микрокомпьютер здесь установлен. Да это и не важно, главное – чтобы он обеспечивал эффективное управление. Сегодня микрокомпьютеры выпускают многие фирмы. Наибольший объем производства у фирм Motorola, Intel, National Semiconductor, Hitachi, STMicroelectronics (SGS-Thomson), Texas Instruments, Philips.

Для мобильных устройств

Мобильные устройства условно делятся на два класса: мобильные и карманные компьютеры. В мобильных компьютерах используются, как правило, процессоры, аналогичные тем, что устанавливаются в настольные с несколько меньшим быстродействием и потому потребляющие меньше энергии.

В карманных компьютерах (КПК – карманные персональные компьютеры) и смартфонах, кроме мобильных вариантов процессоров для настольных систем, применяются и специфичные процессоры, в том числе: SH3, SH4 (компании Hitachi), ТХ Series (Toshiba), VR41 lx, VR412x, VR54xx (NEC).

Особо необходимо выделить архитектуры ARMv6 (компании ARM). Процессоры на основе этого ядра выпускают несколько компаний, в частности Intel. Новые высокопроизводительные процессоры малой мощности будут применяться Intel в микроархитектуре Intel XScale, рассчитанной на сетевой, автомобильный, беспроводный сегменты IT-рынка и рынок КПК. Ядро ARM – ключевое звено открытой архитектуры Intel Personal Internet Client Architecture (Intel PCA) для мобильных Internet-устройств. Уже несколько компаний, выпускающих мобильные устройства, поддержали технологию РСА, том числе Compaq и Symbian.

Пока монополия

В настоящее время выпускаются два больших класса персональных компьютеров: IBM PC и Macintosh. В них используются разные процессоры (вернее – процессоры с различной структурой ядра). Количество работающих компьютеров различно: IBM PC примерно в 12–15 раз больше, чем Macintosh[33].

В компьютерах типа IBM PC используют процессоры (микропроцессоры), первоначально разработанные фирмой INTEL. Раньше каждый тип процессора имел свое обозначение, номер которого оканчивался цифрами 86: 18086 (полное обозначение INTEL8086), 18088, i80186, i286, i386, i486. В настоящее время выпускаются процессоры, имеющие обозначение PENTIUM. В табл. 2.2 приведены сравнительные характеристики основных процессоров, выпускаемых фирмой Intel.

Частота работы процессора определяет скорость обработки данных. Этот параметр особенно важен для выполнения задач, в которых выполняется большое количество арифметических и логических действий, в частности трехмерной графики или видеоизображений. Современная работа с музыкой требует не только обработки звуковых данных, но и сопровождается выводом на монитор нотной партитуры и другой визуальной информации. Поэтому при серьезной работе со звуком, например при сочинении музыки, также требуется быстродействующий процессор. И наконец, игры, в которых используется и графика, и музыка. От быстродействия процессора зависят и частота смены кадров («гладкость» движения персонажей игр), и количество персонажей (например, «монстров»), которые участвуют в игре.

Увеличение быстродействия процессора привело к тому, что время обращения к основной памяти компьютера значительно превысило время выполнения команд. Это и обусловило появление буферной памяти – кэш-память (cache – от англ. «тайник»), которая размещается между процессором и основной памятью и работает на частоте процессора. Обмен данными между процессором и кэш-памятью ведется словами большей разрядности (до 256 разрядов в слове), чем при обмене с основной памятью (64 разряда). Поэтому использование кэш-памяти повышает производительность процессора. Кэш-память размещается непосредственно на кристалле процессора и занимает его основную часть. На рис. 2.4 показана структура связей между процессором, памятью и кэш-памятью.

Рис. 2.4. Структура связей между процессором, памятью и кэш-памятью

Указанные в табл. 2.2 данные не дают полной характеристики того или иного типа процессоров. Нельзя считать, что 500-мегагерцовый Pentium III только в 50 раз производительней, чем i286. Реальная производительность Pentium III в несколько сотен или даже тысяч раз выше. Это связано, кроме частоты, с более длинными обрабатываемыми за один такт словами (4 байта вместо 2), возможностью проведения нескольких операций за один такт (у 286 одна команда обрабатывалась несколько тактов). Так, наличие ММХ обеспечило проведение за один такт сложения четырех коротких слов.

Архитектура Pentium (архитектура IA32 – Intel Architecture, 32-разрядная) впервые появилась в марте 1993 года. Набор команд не менялся со времен i386[34]. Потом появился Pentium ММХ, в котором был реализован набор из 57 команд ММХ: процессор теперь мог обрабатывать множественные данные в одной инструкции (Single Instruction Multiple Data – SIMD). В Pentium II (май 1997 года) добавлен блок SSE (Streaming SIMD Extensions), расширяющий набор команд ММХ. Pentium III получил интегрированную на кристалле кэш-память объемом 256 Кбайт. Pentium 4 выпускается с осени 2000 года. В архитектуру введен ряд усовершенствований, направленных на увеличение тактовой частоты и производительности, а также новый набор инструкций SSE2. 27 августа 2001 года объявлен вариант процессора, работающего на частоте 2 ГГц. Полутора годами раньше вышел Pentium III 1 ГГц. Удвоение частоты работы процессора за полтора года – яркое подтверждение закона Мура. Кроме процессора Pentium (на том же ядре), фирма Intel выпускает еще два процессора. Celeron, с меньшей кэш-памятью (128 Кбайт) и меньшим быстродействием, предназначенный для более дешевых компьютеров. Хеоп ориентирован на серверы и способен работать в многопроцессорных конфигурациях. Кэш имеет объем до 2 Мбайт, что во многом определяет не только высокую производительность процессора, но и высокую стоимость. Всего компания Intel выпускает в год более 100 млн. процессоров, т. е. больше, чем все остальные процессорные фирмы все вместе взятые.

Компания AMD продала во II квартале 7,7 млн. своих процессоров, что составило 22,2 % рынка процессоров с архитектурой IA32. Компания является главным конкурентом Intel на этом рынке. В том же квартале Intel произвела 76,2 % процессоров IA32 (26,4 млн.).

Процессор Athlon – первый проект AMD, в котором она отошла от прямого копирования архитектур Intel и предложила рынку свой вариант платформы для PC. Процессор имеет кэшпамять объемом 128 Кбайт. Здесь реализован не только модуль ММХ, но и дополнительный набор инструкций 3DNow! который обеспечивает более эффективную обработку графической информации. Системная шина – EV-6, та же, что и в процессорах Alpha (см. далее), что дает возможность создавать платы, поддерживающие оба процессора. Более простой процессор фирмы AMD (Duron) ориентирован на сектор простых компьютеров. Duron – конкурент процессора Celeron.

Конец ознакомительного фрагмента.