16 августа 2013
899

Юрий Затуливетер: Компьютерные архитектуры: неожиданные повороты

Информация не имеет ни веса, ни размеров.
Это - прямое следствие нематериальности ее
происхождения. Именно поэтому любая, в том
числе и наиболее ценная, информация обладает
врожденной способностью к неограниченной
тиражируемости.

 

Введение

Потребность в информации росла и растет быстрее, чем информация производится. За последние 15 лет опережающий спрос на информацию вознес компьютерный рынок до уровня индустрии массового производства и потребления. Появилось мировое информационное пространство - основа новой рыночной инфраструктуры - которое вовлекает в себя разнообразные сферы жизнедеятельности.

Стихийность, свойственная рынку, привела к образованию отдельных компьютерных платформ, конкурирующих между собой в борьбе за миллионные тиражи. В итоге информационное пространство оказалось неоднородным и разорванным на равноценные, но во многом изолированные друг от друга резервации, включающие миллионы единиц техники, программ, десятки тысяч разработчиков и несчитанное число потребителей.

В последние годы уровень интеллектуальности и сложности массовых изделий компьютерной индустрии резко поднялся. И спрос на более интеллектуальные, а значит, и более сложные в реализации функции продолжает расти. В соответствии с законами статистики прогнозируемость систем с большим количеством компонентов возрастает. В таких системах первоначальная стихия постепенно уступает место закономерностям. Стихийно сложившиеся в информационном пространстве "межведомственные" барьеры все больше мешают технологическим нормам массового производства, искусственно ограничивают пропускную способность каналов свободного товарообмена.

Решая трудоемкие и предельно сложные задачи, разработчики техники и программ вынуждены в большой части функций дублировать друг друга. Это значительно снижает эффективность использования труда и квалификации разработчиков. В условиях избыточного разнообразия и весьма нечетких критериев выбора потребителям навязывается несколько равноценных альтернатив, что сдерживает активность потребительского спроса.

Складывается впечатление, что "Вавилонская башня" компьютерного мира спроектирована и построена самыми мощными фирмами лишь с целью извлечения максимальных прибылей. Чтобы при растущем спросе удержать позиции в конкурентной гонке, производители, естественно, наращивают тиражи изделий. Однако при этом резко возрастает вероятность "прокола", когда размноженная в миллионах экземпляров ошибка или неудачное техническое решение может выбросить лидера из клуба "законодателей мод". Скандал вокруг микропроцессора Pentium добавил седых волос фирме Intel. Конкуренты - IBM, Motorola, Apple - действуют весьма энергично в стремлении изменить торговую марку "Intel Inside" на "Intel Off Side".

Одно из правил цивилизованного рынка утверждает: "Покупатель всегда прав". Миллионы пользователей не должны расплачиваться за промахи производителей, неизбежные в условиях информационного противостояния. Накапливающиеся в разорванном информационном пространстве противоречия не имеют в условиях массовых тиражей естественных путей разрешения. Единственный путь для выведения рыночных механизмов производства и потребления из состояния накопления неустранимых противоречий - создание единого (сплошного) информационного пространства которое прежде всего должно охватить индустрию производства компьютеров и программ.

По определению информация есть организованная структура - антипод раздробленности и хаоса. Стихийное начало не позволяет компьютерному рынку мгновенно и однозначно перейти в новое качество. В настоящее время уже проявляются масштабные тенденции к унификации аппаратных и программных средств. Они опираются на достигаемые "де-факто" и закрепляемые в максимальных тиражах преимущества тех или иных технических решений или организационных мероприятий. Движение по этому пути под силу лишь самым мощным фирмам.

Негативная сторона этого процесса - рост концентрации и консервативного влияния компьютерных монополий, который ведет к чрезмерному затруднению выживания хоть и перспективных, но "еретических" идей, к усилению возможностей корыстных манипуляций пользователями.

Силовые методы становления и удержания стандартов "де-факто" требуют непрерывного наращивания затрат, однако всему есть пределы. Альтернативный путь к созданию единого информационного пространства - унификация "де-юре". Этот путь идет не от силового давления технических решений и денежных мешков, а от фундаментальных законов информации. Лишь постижение во всей простоте и всеобъемлемости фундаментальных свойств процессов хранения, доставки и преобразования информации в полной мере откроет возможности создания единого и равнодоступного для всех информационного пространства, свободного от монополистских притязаний.

Среди многочисленных проблем развития компьютерной индустрии задачи создания единого информационного пространства, способного к гармоничному развитию, переходят в разряд наиболее приоритетных. Кардинальные изменения в этом направлении могут стать ощутимыми на компьютерном рынке уже через несколько лет. Прежде всего, на этой основе станет возможной сквозная унификация аппаратно-программных средств, которая создаст качественно новые условия для интеграции творческого потенциала исследователей, усилий разработчиков и предпринимателей в интересах потребителей.

Острота противоречий в связи с раздробленностью информационного пространства приблизилась к апогею. Но чтобы решиться на глобальную ревизию привычной, все еще приносящей прибыли, накатанной колеи, нужен серьезный повод. Возможно, им станет кризис микропроцессорных архитектур.

Плоды модели последовательного счета

Список фирм, изготавливающих новейшие микропроцессоры на основе субмикронных СБИС-технологий, расширяется. Работая в диапазоне частот 100 - 300 Мгц, такие однокристальные микропроцессоры достигли "суперкомпьютерных" производительностей в сотни MFLOPS.

Благодаря прогрессу СБИС-технологий сверхбыстрый рост вычислительных характеристик в последнее десятилетие достигался в рамках архитектур, воплощающих так называемую классическую модель последовательного счета. При массовом производстве микропроцессоров в борьбе за производительность главным стратегическим ресурсом становится размер поверхности и количество транзисторов кристалла СБИС. По технологическим причинам площадь кристалла жестко ограничена. Архитектурные решения должны давать ответ, каким образом на единицу площади можно получить максимальную вычислительную производительность.

Анализ научных и технических причин неравномерного развития современной компьютерной индустрии в наше время дает свидетельства приближающегося кризиса компьютерных архитектур. В связи с ростом степени интеграции СБИС, классическая модель последовательного счета, ставшая опорой свершившейся компьютерной революции, вошла в фазу, которую можно назвать структурным насыщением. В рамках этой модели становится невозможным только за счет совершенствования СБИС-технологий сохранять прежние сверхвысокие темпы наращивания вычислительной производительности и удерживать влияние на мировой компьютерный рынок.

Критический барьер в 3 - 5 млн. транзисторов, который субмикронные СБИС- технологии преодолели в 1993 - 1994 годах, исчерпал возможности классической модели последовательного счета для дальнейшего наращивания удельной производительности (производительности, взятой в отношении к единице площади или к одному транзистору). Из таблицы 1 видно, что структурное насыщение классической модели (на критическом барьере в 3 млн. транзисторов) фирмой Intel достигнуто на микропроцессоре Pentium.

Таблица 1

Название микропроцессора марка/частота/кэш ix86../Мгц/КбайтКоличество транзисторов (млн.)Абсолютная вычислительная производительность SPECint92Абсолютная вычислительная производительность SPECfp92Удельная производительность (отнесенная к количеству транзисторов) SPECTint92/млн. транзисторовУдельная производительность (отнесенная к количеству транзисторов) SPECTfp92/млн. транзисторов
i286 i386 486DX2/66 i486DX4/1000.13 0.5 1.2 1.61.0* 8.0* 39.6 54.68* 16* 33 34- - 18.8 26.9- - 16 17
i586/133 (Pentium)3.1155.0116.05037
Pentium Pro i686/133 i686/180/256 i686/166/512  5.5 21.0 6.5  200.0 327.0 327.0  154.0 254.0 261.0 36169 28127

Числовые величины в таблице, помеченные знаком *, являются оценкой благополучно забытого прошлого. Значения количества транзисторов для процессора Pentium Pro даны с учетом транзисторов, использованных для кэша второго уровня (15.5 млн. для кэша размером 256 Кбайт и 31 млн. - для 512 Кбайт), размещенного в том же корпусе.

Фирма DEC на микропроцессоре Alpha также демонстрирует переход через критический барьер в область резкого снижения производительности, получаемой с одного транзистора (см. табл. 2).

Таблица 2.

 

Название микропроцессораКоличество транзисторов (млн.)Абсолютная вычислительная производительность SPECint92Абсолютная вычислительная производительность SPECfp92Удельная производительность (отнесенная к количеству транзисторов) SPECTint92/млн. транзисторовУдельная производительность (отнесенная к количеству транзисторов) SPECTfp92/млн. транзисторов
Alpha 21064 Alpha 211641.68 9.3130 341.2184512.980 40110 55

Критический порог в 3 -5 млн. транзисторов не является абсолютом. Данное значение проявило себя в классе универсальных микропроцессоров - главного элемента массовых компьютерных платформ. Их архитектура была сбалансирована не только для вычислительных задач, но и для функций организации вычислительных процессов.

Анализ архитектуры новейших супермикропроцессоров показывает, что наличие около трех миллионов транзисторов на кристалле дает возможность почти в полном объеме воплощать решения, апробированные в больших машинах IBM, CDC, CRAY и других периода 60 - 80 годов. Здесь и расширение разрядности операндов и адресных полей, и многокаскадная конвейеризация исполнения команд и операций, предсказание переходов, динамический анализ связей по данным в ограниченном окне команд, полное кэширование и повышение рабочих частот. Это предопределило достигнутые темпы роста производительности новейших микропроцессоров, их совместимость с программами своих предшественников.

Активное использование хорошо накатанных решений - надежный путь к предельной однокристальной архитектуре, достойно венчающей эпоху доминирования архитектур последовательного счета. Успехи движения к "теоретическому пределу" выражаются не только в улучшении технических и экономических характеристик массовых компьютеров и систем. В ходе этого процесса активно обновляются стандарты, сокращается их количество. Переход к 64-разрядным архитектурам способствует сближению компьютерных платформ, росту мобильности программных продуктов, так как на программном уровне отпадает необходимость в механизмах модификации адресных пространств.

На фоне впечатляющих успехов все же необходимо учитывать, что предельная архитектура - уже исчерпанный идейный ресурс. Для колоссальной компьютерной индустрии энергии оставшегося идейного топлива хватит еще на 3-5 лет движения по скоростной автостраде накатанных архитектурных решений. Далее неизбежны границы более обширных, но практически неустроенных территорий, которые не подпадают под юрисдикцию классической модели последовательного счета - простейшей из схем машинных вычислений. До последнего времени развитие СБИС-технологий не сталкивалось с архитектурными ограничениями. Однако сейчас в связи с грядущим промышленным освоением технологий 10 - 100 млн. транзисторов открывается период "голода" на архитектуры, которые бы и далее позволили наращивать производительность в прямой зависимости от числа транзисторов. 

Новые орбиты высокопараллельных многопроцессорных архитектур

Эпоха доминирования модели последовательного счета - простейшей схемы машинного счета - завершается. Компьютерная индустрия стремительно приближается к моменту, когда должно включится новое компьютерное "законодательство", которое будет основано на более глубоком понимании фундаментальных свойств информации и машинных вычислений.

В годы продвижения компьютерной индустрии на массовый рынок мощные финансовые потоки щедро орошали многомиллионные тиражи различных вариаций модели последовательного счета. Ставки в игре все еще высоки: обороты больших капиталов, сверхприбыли, компьютерное Эльдорадо... Знакомые симптомы "золотой лихорадки".

Однако все имеет пределы. Незаметно для игроков идейные ресурсы полувековой модели исчерпались. В пылу азарта плохо думается о завтрашнем дне. Золотые горы больших выигрышей могут быстро превратиться в черепки.

Новую модель не купить в дилерских лавках. Она не нуждается в старых, даже очень дорогих и когда-то красивых, одеждах. Налицо признаки очередной большой и неизбежной ломки. История полна такими событиями. Вспомним хотя бы судьбу ЕС-ЭВМ.

Осознание неизбежности структурного насыщения классической модели заставляет искать альтернативные архитектуры, пригодные к массовому воспроизводству и способные к имплантации в сложившуюся компьютерную среду, не вызывая при этом реакции отторжения.

Специалисты понимают, что наилучшие показатели полезного использования единицы площади при степени интеграции более 3 - 5 млн. транзисторов на кристалле могут достигаться только на высоко-параллельных многопроцессорных архитектурах, размещаемых на поверхности кристалла. Однако, несмотря на многолетний опыт исследований и разработок в области многопроцессорных архитектур, несмотря на многочисленные примеры практического использования разнообразных параллельных компьютеров, главные их достоинства остаются недоступными сферам массового использования.

Многопроцессорные архитектуры все еще не могут спуститься с компьютерного Олимпа на грешную землю массового рынка. Нерешенные проблемы здесь сконцентрировались вне СБИС-технологий. Ввиду повышенной архитектурной сложности темпы проектирования многопроцессорных компьютеров значительно уступали темпам смены микропроцессорных поколений. Частая смена поколений микропроцессоров, ориентированных на последовательный счет, сверхбыстрый рост их производительности, полная совместимость с наработанным программным обеспечением поставили разработчиков многопроцессорных компьютеров в невыгодные условия. Они остались в изоляции от стимулов массового рынка. Даже транспьютерное направление микропроцессоров - европейский вызов Америке и методологически одно из наиболее цельных и продвинутых направлений в области многопроцессорных архитектур - не выдерживает конкуренции в соревновании за повышение производительности обработки данных. (Транспьютер - микропроцессор со встроенными средствами межпроцессорной коммуникации, предназначенными для построения многопроцессорных систем.) Одна из причин этого в том, что транспьютерная идеология не дает рецепта эффективного использования быстро растущих возможностей СБИС-технологий для увеличения вычислительной производительности, получаемой с единицы площади кристалла.

В новых условиях нужны новые ориентиры. На наших глазах изменился статус многопроцессорной тематики. Суперкомпьютерный авангард вычислительной техники незаметно трансформировался в отстойник ее нерешенных проблем. Все интересное, что поддавалось усилиям инженеров, реализовано в массовых тиражах. То интересное, что осталось, составляет пласт проблем, требующий новых принципов.

В преддверии микропроцессорного кризиса "экологическая ниша" для многопроцессорных архитектур обретает более четкие очертания. Они призваны открыть новые горизонты для эффективного применения СБИС-технологий.

По оценкам специалистов, вычислительная производительность, получаемая с единицы площади кристалла, может вырасти на порядки. Уже на освоенных СБИС-технологиях производительность многопроцессорных кристаллов может составить десятки GFLOPS (без увеличения рабочих частот и при сохранении или уменьшении прежней стоимости). Однако известные многопроцессорные решения, как правило, не приспособлены для размещения на поверхности одного кристалла. Даже одна из наиболее стройных теорий организации многопроцессорных вычислений, воплощенная в транспьютерных архитектурах, не дает оптимальных решений в условиях физически минимальных размеров кристалла СБИС.

Для отыскания эффективных многопроцессорных архитектур, размещаемых на поверхности кристалла, нужны иные критерии балансировки, свои методы организации вычислительных процессов, оптимально сочетающие различные механизмы массового распараллеливания, и даже своя схемотехника, оптимизируемая под технологические нормы изготовления СБИС.

В настоящее время еще нет достаточно универсальных высокопараллельных многопроцессорных решений, ориентированных на СБИС-погружение и отвечающих требованиям массового производства и потребления. Актуальность исследований и разработок в этом направлении в ближайшие годы будет расти в геометрической прогрессии.

В поиске новых архитектурных решений, пригодных к воспроизводству и использованию в массовых тиражах, волей-неволей придется съехать со скоростных автострад накатанных методик и технологий проектирования. Концептуальное "бездорожье" ставит компьютерных лидеров и аутсайдеров в одинаковые условия повышенной неопределенности. В складывающейся ситуации отечественные школы разработчиков многопроцессорных архитектур на ближайшие 2 - 3 года получают долгожданный и, скорее всего, последний шанс для создания собственных позиций в микропроцессорной индустрии. 

Проблемы программирования

Десятки лет с удивительным для рынка постоянством сохраняется тенденция к увеличению в финансовом обороте компьютерного рынка дохода от программных средств в сравнении с аппаратными. Такая тенденция кажется парадоксальной, если учесть, что технологии проектирования и производства аппаратных средств требуют существенно больших накладных расходов.

В чем причины многолетнего устойчивого стремления к нарушению пропорций развития основных отраслей компьютерной индустрии? В условиях рынка завышение цен становится возможным, когда спрос опережает предложение. Таким образом, стабильно высокие темпы спроса на информацию оголяют факт отставания темпов роста производительности труда в производстве программ.

В отличие от индустриальных форм проектирования и изготовления аппаратных средств производство программ задержалось в фазе артельного труда, в которой преобладание человеческого фактора ставит объемы производства в прямую зависимость от количества привлеченных лиц достаточной квалификации. Нетрудно видеть, что благодаря массовой компьютеризации почти весь интеллектуальный ресурс уже задействован. Практически все способные программировать уже программируют. Это обстоятельство крайне обостряет проблемы наращивания объемов производства программ с помощью технологий программирования, ориентированных на человеческий фактор. Разрешение этой ситуации приведет к распаду артельных (экстенсивных) и установлению индустриальных (интенсивных) форм производства программного продукта, когда объемы производства будут наращиваться, главным образом, за счет увеличения производительности труда.

В чем причины повышенной консервативности технологий програм- мирования? В данном случае консервативность - проявление вторичности программы в классической модели последовательного счета, доминирующей по настоящее время.

В становлении этой модели скрыт парадоксальный феномен. Фон Нейман - известный математик - предлагает математически тривиальную модель последовательных вычислений сугубо инженерного содержания, которая вот уже полвека питает разработчиков компьютеров и стала фундаментом компьютерной революции, но, в то же время, поставила в крайне "невыгодное" положение разработчиков математического обеспечения.

Инженеры-архитекторы получили очень простую и универсальную модель машинных вычислений. Отсюда - опережающие успехи "железа". Однако, использование этой универсальности в интересах разнообразных пользователей оказалось крайне сложным. Отсюда диспропорция и низкие темпы роста в производстве программного продукта.

В теоретической модели фон Неймана память линейна, т.е. имеет одно измерение, в то время, как задачи пользователя многомерны. Цель программирования - уложить многомерное и нестационарное многообразие структур окружающего мира в прокрустово ложе одного измерения. Технологии программирования направлены на облегчение этого в условиях реальной машинной среды.

На практике проблема "линейного прокрустова ложа" усугубляется. В технических реализациях модели фон Неймана память неизбежно расщепляется. Под расщеплением понимается обеспечение одновременного доступа к нескольким областям памяти. Это обусловлено необходимостью учитывать и преодолевать ограничения объемов и быстродействия запоминающих устройств.

С расщеплением памяти привносится параллелизм действий, что увеличивает производительность компьютеров, но резко усложняет архитектурные решения. При этом растет число степеней свободы и прогрессивно нарастают трудности управления машинным cчетом. На программиста дополнительно ложатся проблемы упаковки многомерных структур данных и программ в отрезки памяти ограниченной длины, а также увязки динамики параллельных вычислительных процессов.

Разработчики микропроцессоров много сил тратят на то, чтобы укрыть негативные последствия расщепления памяти за фасадом модели последовательного счета, но по мере роста расщепления делать это все труднее. Программист все больше превращается в циркового эквилибриста, под которым наращивают извивающуюся башню из свободно катающихся друг на друге обрезков трубы среднего диаметра. Всем понятно, что нарезать обрезки - одно, кататься на них - другое.

Отсюда - особое положение виртуозов, владеющих искусством эквилибристики. Но нам, пользователям, не хватает хороших программ. Они нужны в возрастающих количествах, а виртуозов на всех не хватает. Поэтому крепнут монополии. У них возникают неограниченные возможности для манипуляции потребителями, и можно понять, насколько трудно им удержаться от сооблазна сохранять свое особое положение подольше. Пользователь доверчив, и у него находится, чем платить за искусство эквилибристики.

Итак, в классической и простейшей модели машинных вычислений тяготы управления памятью сброшены на программиста. Развитие технологий программирования шло в поисках очередного класса задач (всегда ограниченного!) и экономически рентабельных компромиссов между возможностями аппаратуры и тяготами прокрустова ложа.

Динамика, когда очередной "рывок" в программировании основывается на удвоении требований к аппаратуре, порочна, а ее движущие силы неперспективны.Такое происходит до сих пор, однако, всему есть пределы.

Нынешние многопроцессорные архитектуры отличаются особенно высокой степенью и сложностью расщепления памяти, а также многообразием форм ее организации. В таких архитектурах отход от модели последовательного счета настолько далек, что практически в полной мере теряется ее организующее значение. Проблемы программирования выходят на качественно иной уровень сложности. В таких архитектурах преодоление проблем программирования в условиях открытых для программиста степеней свободы практически невозможно.

Отсюда напрашивается вывод: классическая модель последовательного счета исчерпала себя не только в структурном отношении, но и в функциональном. Для многопроцессорных архитектур все еще нет единой модели машинного счета. Без единой модели, соединяющей достигнутое с новыми перспективами, многопроцессорные компьютеры останутся на компьютерном рынке на "нелегальном" положении.

Таким образом, исчерпание структурного и функционального ресурсов полувековой модели последовательного счета совпало во времени с исчерпанием интеллектуального резерва человечества, который те же полвека с нарастающей интенсивностью использовался для пополнения армии программистов, обеспечивавшей прогресс компьютерной индустрии.

Чтобы устоять перед тройным кризисом, недостаточно косметических мер. Видимо, без глобольной ревизии и чистки авгиевых конюшен не обойтись. Информационное пространство созрело для перемен. Пространственная, функционально более мощная единая модель идет на смену простейшей модели последовательного счета. Она должна стать научной основой и гарантом "бескровного" перехода к единому информационному пространству. Она, наконец, легализует и унифицирует параллельные вычисления во всем структурном многообразии задач и распределенных машинных ресурсов, в обязательном порядке включив в себя функционально полные и замыкаемые на аппаратные средства механизмы управления многоуровневой и расщепленной памятью, которые изолируют программистов от тягот и удовольствий прокрустова ложа.

Вместо эпилога

Компьютерная эпоха стартовала, будучи оснащенной моделью последовательного счета. Первая всемирная компьютерная революция до дна вычерпала ее энергию. Совпадение во времени трех кризисов - уникальное событие на компьтерной арене - звучит как прощальный залп в честь модели, уходящей в историю. Что и кто придет завтра?

На рубеже тысячелетий единая модель встанет на ноги и распахнет дверь на рынок для решений с качественно новыми технико-экономическими характеристиками. Это - сквозная унификация аппаратно-программных средств, массовый рынок компьютеров производительностью 1 - 1000 GFLOPS, переход к открытым индустриальным формам производства программ, информационные услуги на всех уровнях общества, труднодоступные современному пониманию.

Единая модель объективно необходима как стандарт "де-юре", основа новой компьютерной "юрисдикции", той, которая определит одинаковые для всех правила цивилизованных соревнований на едином и нераздробленном пространстве информации. Продвижение на основе единой модели компьютерных вычислений - шанс для всех, кто стоял в стороне. Опережение в накоплении идейного потенциала - стратегия успеха в становлении большого бизнеса при освоении новых компьютерных просторов.

С автором можно связаться:

http://consumer.stormway.ru/

16.08.2013

 

Рейтинг всех персональных страниц

Избранные публикации

Как стать нашим автором?
Прислать нам свою биографию или статью

Присылайте нам любой материал и, если он не содержит сведений запрещенных к публикации
в СМИ законом и соответствует политике нашего портала, он будет опубликован