Физические пределы быстродействия компьютеров

Физические пределы быстродействия компьютеров

Ни для кого не является секретом, что лучшие в мире процессоры для компьютерной техники разрабатываются и производятся в США. К ним относятся компоненты таких ведущих мировых брендов, как Intel, AMD, IBM. Вычислительная техника развивается быстрыми темпами и сегодняшние образцы персональных компьютеров (ПК) во много раз превосходят своих вчерашних собратьев по производительности, объему оперативной и постоянной памяти, а также по возможностям программного обеспечения и периферийного оборудования.

Увеличение быстродействия ПК – это важная и актуальная проблема, потому что существуют задачи с большим массивом данных, которые нужно быстро обработать. Среди них научное моделирование, прогнозирование и проектирование. Например, задача о предсказании погоды на основании обработки данных, собранных со спутников и метеорологических станций, разбросанных по всему земному шару, или моделирование ядерного взрыва, расшифровка криптограмм и так далее. Быстродействие компьютеров, применяемых в военной технике, имеет первостепенное значение, ведь в современных условиях от этого зависит исход поединка противоборствующих систем вооружения или единиц боевой техники. Что касается ПК, то для него актуальна обработка изображений с высоким разрешением, включая высококачественное видео.

Производительность компьютера напрямую зависит от возможностей центрального процессора, граничная частота обработки данных которого задает максимальное быстродействие. Скорость работы единичных процессоров зависит от ограничений существующей технологии их изготовления. В процессе развития любая технология достигает своего предела. Для получения лучших параметров изделия требуется переход на новую технологию. Как правило, для отработки новой технологии нужны дополнительные финансовые средства.

Но есть еще один известный путь увеличения быстродействия компьютеров без изменения технологии. Это параллельный принцип вычислений. Его суть заключается в том, что вычислительная задача разбивается на несколько независимых фрагментов, и каждый из них обрабатывается своим ПК. После завершения работы полученные решения объединяются и, если необходимо, производятся окончательные вычислительные операции. Именно так и поступали во времена, когда технические возможности компьютеров не были столь мощными, как сегодня. Машинное время отдельных ПК, удаленных друг от друга, можно суммировать с помощью сети Интернет.

В настоящее время принцип параллельности не только не забыт, но и начал усиленно развиваться. Все вычислительные мощности сосредотачивают в одном месте, даже в одной стойке, где на базе обычных стандартных процессоров с не очень высокими параметрами создают сверхмощные компьютеры. Этот принцип получил название многопроцессорных систем. Современные суперкомпьютеры имеют кластерную архитектуру, а самые лучшие их образцы содержат более чем 100 тысяч единичных процессоров. Быстродействие таких компьютеров уже перешагнуло порог в 1000 триллионов операций в секунду. Что касается России, то Межведомственному суперкомпьютерному центру РАН принадлежит мультиядерная система, которая по данным на конец 2008 занимала 35-ю строчку мирового рейтинга. Суперкомпьютер МВС-100K имеет 7920 ядер и пиковую производительность 95 триллионов операций в секунду. Сегодня это самая мощная вычислительная система в СНГ.

Существующие технологии производства процессоров для ПК практически уже достигли своего предела развития. Были созданы компоненты с максимальной тактовой частотой порядка нескольких гигагерц. Дальнейшее совершенствование процессоров без перехода на новый уровень, новую технологию, невозможно. Поэтому в современных ПК для увеличения быстродействия решения вычислительных задач также стали применять принцип параллельной работы. Например, двухъядерный процессор Intel Core 2 Duo или четырехъядерный AMD Phenom X4. В 2011 году было освоено производство 8-ядерных процессоров для ПК и 16-ядерных для профессиональных серверов.

Читайте также:  Как удалить переписку в инстаграмме в директе

Однако параллельная работа большого количества ядер приводит к усложнению схемы, дополнительным расходам на обслуживающий чипсет микросхем, на установку источника питания повышенной мощности. Поэтому количество единичных процессоров или ядер в ПК вряд ли разумно поднимать свыше 10–12 штук, так как это усложнит систему охлаждения, приведет к увеличению стоимости ПК и к повышению затрат на его эксплуатацию. Для рядовых пользователей это неприемлемо.

Именно поэтому ведётся параллельная работа над производством доступных серийных компьютерных систем, которые не без успеха применяются для решения современных локальных и веб задач. К таковым можно отнести сервер Lenovo — фирменная сборка, отличающаяся коэффициентом производительности и энергосбережения. Комплектация компьютера позволяет развернуть веб-инструментарий или организовать офисный доступ для сотрудников, и с каждой текущей проблемой сервер от компании Lenovo справляется без заминок!

Книга: Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки

Физические ограничения вычислений

Физические ограничения вычислений

Если мы знакомы с квантовой механикой и квантовыми вычислениями, то на удивление легко определить, какой объем вычислений может выполнять любая физическая система. Начнем с того, что все физические системы содержат информацию. Рассмотрим электрон, который может быть найден в одном из двух мест, «здесь» или «там». Электрон, который может быть или «здесь», или «там», хранит один бит информации. (Как сказал Рольф Ландауэр, «информация – величина физическая».) Когда электрон перемещается отсюда туда, его бит инвертируется. Другими словами, всякий раз, когда физическая система изменяет свое состояние, – всякий раз, когда что-то происходит, – информация, которую хранила эта система, преобразуется и обрабатывается. (Обработка информации – тоже физический процесс.)

Тем, где могут находиться электроны и как они перемещаются отсюда туда, управляют законы физики. Законы физики определяют, сколько информации может содержать та или иная физическая система и как быстро эта информация может быть обработана. Физика устанавливает окончательный предел мощности компьютеров. В статье «Абсолютные физические пределы вычислений» (Ultimate Physical Limits to Computation) я показал, что вычислительная мощность любой физической системы может быть подсчитана как функция количества доступной системе энергии, вместе с размером этой системы . В качестве примера я применил эти пределы, чтобы определить максимальную вычислительную мощность килограмма вещества, ограниченного литровым объемом. Я представил себе ноутбук, который весит примерно килограмм и занимает примерно литр пространства. Этот портативный компьютер весом в один килограмм и объемом в один литр я назвал «абсолютным ноутбуком». В следующий раз, когда вы решите купить новый ноутбук, сначала сравните его с абсолютным.

Какова мощность абсолютного ноутбука? Первое фундаментальное ограничение вычислительных характеристик связано с энергией. Энергия ограничивает скорость. Например, рассмотрим наш однобитовый электрон, который перемещается отсюда туда. Чем больше энергии у электрона, тем быстрее он может выполнить перемещение и тем быстрее он может инвертировать свой бит.

Читайте также:  Слетела клавиша на ноутбуке

«Абсолютный ноутбук» – это компьютер массой один килограмм и объемом один литр, где каждая элементарная частица используется для целей вычисления. Абсолютный ноутбук может выполнить десять миллионов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов (1052) логических операций в секунду с десятью тысячами миллиардов миллиардов миллиардов (1031) битов.

Максимальную частоту, с которой бит может менять свое состояние, определяет одна полезная теорема – теорема Марголюса – Левитина. Норм Марголюс, как уже было отмечено, – один из пионеров физики вычислений; вместе со своим научным руководителем Томмазо Тоффоли из Массачусетского технологического института он показал, что простые физические системы, вроде сталкивающихся друг с другом атомов, могут выполнять универсальные цифровые вычисления. Лев Левитин из Бостонского университета[33] одним из первых стал использовать законы физики для вычисления пропускной способности каналов связи, например оптоволоконных кабелей, для передачи информации. Эти ученые объединили свои усилия и в 1998 г. опубликовали свою теорему .

Теорема Марголюса – Левитина гласит, что максимальная частота, с которой физическая система (электрон, например) может переходить из одного состояния в другое, пропорциональна энергии системы; чем больше доступной энергии, тем меньше времени нужно электрону, чтобы перейди отсюда туда. Эта теорема очень общая. Для нее несущественно, какая система хранит и обрабатывает информацию; важно только, сколько энергии есть в системе, чтобы обрабатывать эту информацию. Рассмотрим, например, атомы и электроны в моем компьютере. Их температура немного выше комнатной. Каждый атом и электрон раскачиваются, и количество энергии, связанной с типичными колебаниями, остается одним и тем же для атома и для электрона. Энергия на одно колебание просто пропорциональна температуре, независимо от того, говорим мы об атоме или об электроне. Следовательно, частота, с которой электрон в компьютере может перемещаться от одного состояния к другому, отсюда туда, или от 0 к 1, – такая же, что и скорость, с которой атом может переходить из одного состояния в другое. Электроны и атомы инвертируют свои биты с одной и той же частотой.

Теорема Марголюса – Левитина дает метод для вычисления максимальной частоты, с которой бит может менять свое состояние. Возьмем количество энергии, доступной для инвертирования бита, умножим ее на 4 и разделим на постоянную Планка. В результате мы получим число возможных инверсий бита за секунду. Применяя эту формулу к атомам и электронам в моем компьютере, мы выясним, что каждый колеблющийся атом и электрон изменяют свое состояние и свой бит примерно 30 трлн (30 х 1012) раз в секунду.

Скорость, с которой атомы и электроны инвертируют свои биты, обычно намного больше, чем скорость, с которой это делает обычный компьютер. Компьютер, на котором я печатаю текст, вкладывает в зарядку и разрядку конденсаторов, которые хранят его биты, в миллиард раз больше энергии, чем используют атомы и электроны на свои колебания и на инверсию своих битов. Но мой компьютер действует в 10 000 раз медленнее атомов. Медлительность моего компьютера не противоречит теореме Марголюса – Левитина. Эта теорема дает только верхний предел того, как быстро может менять свое состояние бит. Бит может делать это медленнее максимальной скорости, допускаемой теоремой. Квантовый компьютер, однако, всегда инвертирует свои биты с максимальной скоростью.

Читайте также:  Gulnur sharapova30479 gmail com

Теорема Марголюса – Левитина устанавливает предел количества элементарных операций (опов), которые может выполнять бит в секунду. Предположим, что мы оставим неизменным количество энергии, доступное для изменения состояния битов, но теперь разделим эту энергию между двумя битами. Каждый из этих двух битов получит половину энергии нашего первоначального бита и сможет работать вдвое медленнее. Но общее количество переходов в секунду останется тем же.

Если разделить количество доступной энергии между десятью битами, то каждый из них будет менять свое состояние в десять раз медленнее, но общее количество переходов в секунду останется тем же. Так же как она безразлична к размерам системы, эта теорема не «заботится» о том, откуда берется доступная энергия. Максимальное количество операций в секунду – это энергия E, умноженная на 4 и деленная на постоянную Планка.

Теорема Марголюса – Левитина позволяет легко вычислить мощность абсолютного ноутбука. Энергию абсолютного ноутбука, доступную для вычисления, можно вычислить с помощью известной формулы Эйнштейна E = mc?, где E – энергия, m – масса ноутбука, а c – скорость света. Введя в эту формулу массу нашего абсолютного компьютера (один килограмм) и скорость света (300 млн м в секунду), мы обнаружим, что у абсолютного ноутбука есть почти 100 миллионов миллиардов (1017) джоулей доступной энергии для выполнения вычислений. Если привести тот же результат в более знакомой форме энергии, у ноутбука есть около 20 млрд (2 х 1013) килокалорий доступной энергии, что эквивалентно 100 млрд шоколадных батончиков. Это очень много энергии.

Другой знакомый нам эквивалент – это количество энергии, высвобождаемой при ядерном взрыве. У абсолютного ноутбука есть двадцать мегатонн (20 млн т в тротиловом эквиваленте) энергии, доступной для вычисления. Это сопоставимо с количеством энергии, высвобождаемой при взрыве большой водородной бомбы. По существу, когда наш абсолютный ноутбук выполняет вычисления на максимальной скорости, используя для изменения состояния битов каждую доступную калорию, изнутри это выглядит как ядерный взрыв. Элементарные частицы, которые хранят и обрабатывают информацию в абсолютном ноутбуке, движутся при температуре в миллиард градусов. Абсолютный ноутбук похож на маленький кусочек Большого взрыва. (Технологии упаковки должны будут совершить серьезный прорыв, прежде чем кто-то захочет положить абсолютный ноутбук к себе на колени.) В итоге количество операций, которое может выполнить наш маленький, но мощный компьютер, составляет огромную величину: миллион миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов (1051) операций в секунду. Компании Intel есть, к чему стремиться.

Будем считать, это была профессиональная интуиция ))

Я хорошо помню, когда начали писать о _возможности_ появления двухядерных процессоров. А потом, когда они стали реальностью — тоже ничему уже не удивляюсь.

Интересно, насколько хорошо советские специалисты могли оценить пределы развития техники? Мне кажется тогда уже наметилось отставание в индустрии, и все оценки были очень теоретические.

Ссылка на основную публикацию
Уравнение окружности в полярных координатах
Определение: замкнутая плоская кривая, все точки которой одинаково удалены от данной точки (центра О), лежащей в той же плоскости, что...
Тело массой м брошено
Тело массой m = 5 кг брошено под углом α = 30° к горизонту с начальной скоростью v 0 =...
Телефоны с ик портом 2018
В большинстве домов можно обнаружить несколько устройств, которые управляются пультом дистанционного управления: телевизор, музыкальный центр, система климат-контроля, камера наблюдения и...
Уравнение пучка прямых проходящих через точку
Совокупность прямых, проходящих через некоторую точку, называется пучком прямых с центром в этой точке. Если и - уравнения двух пересекающихся...
Adblock detector