Скачивание материала началось

Предлагаем Вам установить расширение «Инфоурок» для удобного поиска материалов:

ПЕРЕЙТИ К УСТАНОВКЕ

Новый курс повышения квалификации!

Цифровая грамотность педагога. Дистанционные технологии обучения

Разработан летом 2020 специально для учителей

Успеть записаться

-50% До конца лета

Каждую неделю мы делим 100 000 ₽ среди активных педагогов. Добавьте свои разработки в библиотеку “Инфоурок”
Добавить авторскую разработку
и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок Математика СтатьиСтатья на тему: "Возрастающая сложность микропроцессоров"

Статья на тему: "Возрастающая сложность микропроцессоров"

библиотека
материалов

Возрастающая сложность микропроцессоров – прогресс или путь в никуда?

Лазатникова Л.Д., студентка 1 курса

профессии «Мастер по обработке цифровой информации»

Научный руководитель: преподаватель

высшей категории Гуторова С.Ф.,

Курский ЭМТ, г. Курск, Россия

На протяжении веков человечество задаёт и находит ответы на всё более сложные вопросы, решает всё более сложные задачи. Ресурсов человеческого мозга и листка бумаги уже давно не хватает для обработки всё увеличивающихся потоков информации. Поэтому человечество пытается переложить хотя бы часть рутинной работы на механизмы, и это пока неплохо ему удаётся: в 1945 году заработал первый электронный компьютер — ЭНИАК. По современным меркам он обладал весьма небольшим объёмом памяти и быстродействием: пять тысяч операций сложения в секунду и всего двадцать число-слов памяти, однако успешно проработал на благо Армии США 10 лет.

Со времён ЭНИАКа очень многое изменилось: на смену лампам пришли транзисторы, на смену транзисторам — интегральные микросхемы, но общая концепция осталась без изменений. Те же пронумерованные ячейки памяти, в которых хранятся числа, то же арифметико-логическое устройство, способное выполнять сложение и дополнение до двух, то есть те две операции, на основе которых можно построить всю арифметику, а затем и алгебру.

Развитие пошло по экстенсивному пути: увеличение разрядности, тактовой частоты и количества арифметико-логических устройств, и шло весьма и весьма быстро. Тем не менее, производительность микропроцессоров даже самых быстрых на сегодняшний день компьютеров часто является недостаточной для ученых.

Проведем исследование характеристик микропроцессоров с 1964 по 2011 год. Введем следующие понятия:

Архитектура – это некий набор свойств и качеств, присущий целому семейству процессоров.

Набор команд –  соглашение о предоставляемых архитектурой средствах программирования.

Разрядность – это количество разрядов (битов), одновременно обрабатываемых микропроцессором.

Регистр – это блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память внутри процессора.

Результаты исследования сведем в таблицу 1.

Таблица 1. Основные характеристики микропроцессоров.

Набор

команд

Разрядность, бит

Год появления

Архитектура

Кол-во регистров

System/360 /System/370 /z/Architecture

64 (32→64)

1964

CISC

16

CDC Cyber

60

1970

RISC

24 (8 18битных регистров адреса, 8 18битных индексных регистров, 8 60битных регистров операндов)

8080

8

1974

CISC

8

6502

8

1975

CISC

3

Z80

8

1976

CISC

17

Elbrus (native VLIW)

64

1976

VLIW

8-64

8051

32 (8→32)

1977

CISC

32 по 4 бита, 16 по 8 бит, 8 по 16 бит или 4 по 32 бита

8086 / x86

16, 32, 64 (16→32→64)

1978

CISC

8 (+4 или 6 сегментных регистра) для 32битной архитектуры

16 (+2 сегментных регистра) для 64битной архитектуры

MIPS

64 (32→64)

1981

RISC

4–32 (включая "ноль")

NS320xx

32

1982

CISC

8

ARM

32/16

1983

RISC

7 в 16битном режиме THUMB

15 в 32битном режиме

SPARC

64 (32→64)

1985

RISC

32 (включая "ноль")

PA-RISC (HP/PA)

64 (32→64)

1986

RISC

32

Transputer

32 (4→64)

1987

MISC

0

DLX

32

1990

RISC

32

SuperH (SH)

32

1990

RISC

16

PowerPC

32/64 (32→64)

1991

RISC

32

Alpha

64

1992

RISC

32 (включая "ноль")

M32R

32

1997

RISC

16

MMIX

64

1999

RISC

256

Itanium (IA-64)

64

2001

EPIC

128

65k

64 (8→64)

2006

CISC

1

eSi-RISC

16/32

2009

RISC

8–72

RISC-V

32, 64, 128

2010

RISC

32 (включая "ноль")

ARMv8-A

64/32

2011

RISC

32 (включая "ноль")

Таблица показывает, что в XXI веке развитие пошло в сторону RISC-архитектуры, и для этого есть объективные причины. CISC-процессор имеет более сложную систему команд, а это означает, что его команды длиннее, следовательно, дольше выбираются из памяти и выполняются, и сложнее, из чего вытекает более равномерное использование внутренних блоков процессора и худший параллелизм.

RISC-процессор на той же тактовой частоте успевает выполнить больше команд в единицу времени, а так как они простые, то поместить внутрь процессора больше ядер обойдётся дешевле.

SIMD (Single Instruction Multiple Data) — это MMX, SSE2: наборы команд, позволяющих за один раз сложить 10 чисел по 8 бит (MMX) или 4 числа с плавающей запятой (SSE2, называемое ещё XMM).

Кстати, исследование прайс-листов компании НИКС (одного из ведущих на данный момент поставщиков компьютеров в России) показывает, что после периода роста тактовой частоты процессоров в 1995-2002 наступил период роста количества ядер. На данный момент в розничной продаже имеется процессор с 18 ядрами, но максимальная тактовая частота как была 3,2ГГц в 2002 году, так и осталась такой же в 2016. Увеличивать тактовую частоту процессоров уже не представляется возможным: достигнут предел скорости передачи электрического сигнала. Можно, конечно, уменьшать размеры кристалла, выигрывая лишние доли микрона, но и этому есть предел.

Увеличение количества ядер в процессорах позволяет распараллелить вычисления. Однако при этом иногда бывает очень тяжело найти эффективный алгоритм, который возможно масштабировать на многопроцессорную архитектуру, к тому же не стоит забывать о времени, потраченном на синхронизацию работы ядер (которая обычно сводится к тому, что одно ядро просто ожидает выполнение задачи другого ядра). Таким образом, этот путь, хоть и даёт ещё возможность увеличения мощности вычислительной системы, тоже закончится тупиком.

Можно наращивать сложность самих процессоров, что сейчас и делается, но и это тупиковый путь: ограничение скорости света ставит на этом пути развития непреодолимый барьер.

Когда экстенсивные методы исчерпывают себя, выход находится после пересмотра традиционных взглядов на предметную область в целом. И такой выход уже может быть найден: отказаться от архитектуры Фон Неймана, по которой построены почти все современные процессоры, и заменить её аппаратной архитектурой, отвечающей требованиям решаемой задачи.

Советский математик А. А. Марков предложил свести любую задачу к операциям поиска и замены. Ведь любая программа «всего лишь» получает входные данные (которые можно представить в виде строки), каким-то образом их обрабатывает, а затем выводит (опять же в виде строки). Таким образом, работа любой программы может быть сведена к операциям поиска и замены фрагментов входной строки данных.

Программа в этой архитектуре реализована как набор операций поиска и замены, которые можно выполнять одновременно. Как результат — после адаптации реальных алгоритмов обработки текстов для архитектуры Маркова время выполнения этих алгоритмов уменьшилось на два порядка, то есть в 100 раз (!).

Не стоит забывать и об аналоговых компьютерах, которые оперируют не единицами и нулями, а уровнями сигналов. В нашей стране могли ещё остаться компьютеры, работающие не в двоичной, а в троичной системе счисления, и доказавшие свою эффективность.

Наращивание мощности существующих вычислительных систем пока ещё может дать прирост реальной производительности, но скоро затраты на управление системой могут стать настолько велики, что на решение самой задачи просто не останется времени. Мы сейчас должны уметь подняться выше и начать рассматривать аппаратную архитектуру не как нечто незыблемое, а всего лишь как один из вариантов решения задачи. Если мы научимся это делать, то получим больше свободы в управлении мирозданием.





Список литературы


  1. Таненбаум Э. Архитектура компьютера, 5-е изд. – СПб.: Питер, 2007, – 844 с.

  2. Головкин Б.А. Параллельные вычислительные системы. – М.: Наука, 1980, – 520 с.

  3. НИКС – Компьютерный супермаркет [Электронный ресурс] ULR: http://www.nix.ru/

  4. Материал из Википедии — свободной энциклопедии [Электронный ресурс] ULR: https://ru.wikipedia.org/wiki/ЭНИАК


6


Курс профессиональной переподготовки
Учитель математики и информатики
Найдите материал к любому уроку,
указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:
также Вы можете выбрать тип материала:
Общая информация

Вам будут интересны эти курсы:

Курс повышения квалификации «Табличный процессор MS Excel в профессиональной деятельности учителя математики»
Курс повышения квалификации «Внедрение системы компьютерной математики в процесс обучения математике в старших классах в рамках реализации ФГОС»
Курс повышения квалификации «Педагогическое проектирование как средство оптимизации труда учителя математики в условиях ФГОС второго поколения»
Курс профессиональной переподготовки «Математика: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс повышения квалификации «Изучение вероятностно-стохастической линии в школьном курсе математики в условиях перехода к новым образовательным стандартам»
Курс профессиональной переподготовки «Экономика: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс повышения квалификации «Специфика преподавания основ финансовой грамотности в общеобразовательной школе»
Курс повышения квалификации «Специфика преподавания информатики в начальных классах с учетом ФГОС НОО»
Курс повышения квалификации «Особенности подготовки к сдаче ОГЭ по математике в условиях реализации ФГОС ООО»
Курс профессиональной переподготовки «Теория и методика обучения информатике в начальной школе»
Курс профессиональной переподготовки «Математика и информатика: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс профессиональной переподготовки «Инженерная графика: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс повышения квалификации «Развитие элементарных математических представлений у детей дошкольного возраста»
Курс повышения квалификации «Методика преподавания курса «Шахматы» в общеобразовательных организациях в рамках ФГОС НОО»
Курс профессиональной переподготовки «Черчение: теория и методика преподавания в образовательной организации»

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.