Конец эпохи фон Неймана

Ускорению процессоров мешает скорость света

Экстенсивное увеличение тактовой частоты процессоров подошло к концу. Связано это с двумя факторами: скоростью света и особенностью кремния. Дело в том, что на частотах в 10 ГГц длина волны составляет чуть меньше 3 см. Поскольку все современные процессоры построены по архитектуре фон Неймана, адресная шина должна разводиться с точностью до сантиметра, что сделать при нынешней схемотехнике практически невозможно. Это значит, что банальное увеличение частоты процессоров архитектуры фон Неймана ограничивает скорость света.

Впрочем, даже если и будет разработана схемотехника, позволяющая разводить системные платы с точностью до сантиметров, для дальнейшего развития процессоров общего назначения есть и другое ограничение − предельная частота полупроводников на основе кремния составляет всего около 12 ГГц. Более скоростные полупроводники требуют использования других материалов − арсенида-галлия или современной версии этой технологии − нитрида-галлия. Сейчас готовятся массовые производства подобных полупроводников, но не для процессоров, а для систем СВЧ-связи. Лабораторное производство таких полупроводников есть и в России, и его, в частности, можно использовать для систем мобильной связи пятого поколения. Вряд ли процессоры общего назначения можно будет быстро и экономически эффективно полностью реализовать с помощью данной технологии. Скорее всего, дальнейшее развитие вычислительной техники связано с альтернативными процессорными архитектурами, что позволяет российским разработчики выйти на передовой край индустрии. Например, компания ОКБ «САПР» разработала серию устройств MKTrust, построенных по принципам Гарвардской архитектуры с разделением команд и данных по разным адресным пространствам. Правда, предложенная компанией «Новая Гарвардская архитектура» еще больше разделяет адресные пространства, создавая для каждого сеанса собственные реплики потока команд и данных. Подобные устройства уже доступны на рынке и активно используются в государственных терминальных решениях.

Кроме того, в России в свое время разработали и реализовали вычислительную машину «Сетунь», в которой использовалась не бинарная, а троичная логика − положительные, отрицательные и нейтральные уровни напряжения. Об этих экзотических архитектурах речь зашла на конференции «Технологии искусственного интеллекта в интересах обороны и безопасности государства», которая состоялась в рамках форума «Армия-2019». Там же был отмечено, что троичная логика более точно соответствует человеческой. Во всяком случае, многоагентные симуляторы, которые применяются в российской армии, построены на троичной логике, учитывающей интересы нейтральных агентов. Сейчас библиотеки подобной логики реализуются на базе бинарных процессоров, однако разработки кристаллов с такой логикой могли бы внести новую струю в разработки того же искусственного интеллекта на нейронных сетях.

Архитектура процессоров «Эльбрус» также не полностью соответствует канону фон Неймана. Хотя и данные, и коды хранятся в единой памяти, доступ программ к памяти ограничен доменами, т. е. программа может получить доступ только к своим данных. При этом адресные пространства программ и данных четко разделены на уровне системы команд процессора. В целом можно отметить отказ разработчиков процессоров от архитектуры фон Неймана, и только накопленный опыт стандартной вычислительной платформы ограничивает развитие новых архитектурных принципов.

Если же отказаться от единого адресного пространства команд и данных, то можно сформулировать новые принципы пакетных вычислений: процессоры обрабатывают локальные пакеты информации, которые содержат данные, коды для их обработки и адреса, куда сохраняются результаты. Все вычисления происходят в локальном адресном пространстве пакета, которое может быть организовано по разным принципам − регистры, массивы, матрицы, стеки или любые другие структуры данных по выбору программистов и инженеров. Программист разбивает программу на вычислительные пакеты, обеспечивая оптимальное исполнение каждого фрагмента на соответствующем ему пакетном вычислителе. Поскольку подобные вычисления не требуют единого адресного пространства, они могут выполняться параллельно и независимо от других в асинхронном режиме. При этом снимается ограничение на синхронную адресную шину, и появляется возможность реализации пакетных вычислителей на самых разнообразных принципах − троичной логики, с использованием нитрид-галлиевых полупроводников, с разделением потоков команд и данных. Коммутация пакетов задач между вычислители выполняется по принципам асинхронной пакетной коммутации, разработанных для Интернета. Таким образом, принцип «компьютер как сеть» вполне может прийти на смену устаревшей архитектуре фон Неймана, и у российских инженеров, не отягощенных привязкой к «стандартной архитектуре», еще есть возможность его реализовать.

 








 

ИД «Connect» © 2015-2019

Использование и копирование информации сайта www.connect-wit.ru возможно только с письменного разрешения редакции.

Техподдержка и обслуживание Роман Заргаров


Яндекс.Метрика
Яндекс.Метрика