Летом 1940 г. выдающимся ученым Норбертом Винером (1894 – 1964) были сформулированы требования к созданию быстродействующей вычислительной машины:
· Центральные суммирующие и множительные устройства должны быть цифровыми, как в обычном арифмометре, а не основываться на измерении, как в дифференциальном анализаторе Буша.
· Эти устройства, являющиеся по существу переключателями, должны состоять из электронных ламп, а не из зубчатых передач или электромеханических реле. Это необходимо, чтобы обеспечить достаточное быстродействие.
· В соответствии с принципами, принятыми для ряда существующих машин телефонных лабораторий Белла, должна использоваться более экономичная двоичная, а не десятичная система счисления.
· Последовательность действий должна планироваться самой машиной так, чтобы человек не вмешивался в процесс решения задачи с момента введения исходных данных до снятия окончательных результатов. Все логические операции, необходимые для этого, должна выполнять сама машина.
· Машина должна содержать устройство для запасания данных. Это устройство должно быстро их записывать, надежно хранить до стирания, быстро считывать, быстро стирать их и немедленно подготавливаться к запасанию нового материала». Эти требования были полностью учтены дальнейшими разработчиками ЭВМ.
Он внес большой вклад в целый ряд областей, включая математику, функциональный анализ, геометрию, топологию, математический анализ, квантовую механику, гидродинамику, квантовую статистику, экономику (теорию игр), вычислительную архитектуру, линейное программирование самовоспроизводящихся машин, теорию стохастических вычислений, и общую статистику.
В 1943 – 1946 года был построена первая ЭВМ (электро – вычислительная машина), которая была названа ЭНИАК. Джон фон Нейман подсказал ее разработчикам, как упростить программирование машины путем ее модификации. А в создании второй машины ЭДВАК – электронного автоматического вычислителя с дискретными переменными он принимал уже активное участие. Ему принадлежит разработка подробной логической схемы машины, в которой вычислительные идеализированные элементы были структурными единицами. Данные идеализированные элементы стали шагом вперед в информатике, так как они позволили отделить логическую схему от технического ее воплощения.
Переход от вакуумной лампы к интегральным микросхемам.
Первые серийные универсальные ЭВМ на транзисторах были выпущены в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии. В Советском Союзе первые безламповые машины «Сетунь», «Раздан» и «Раздан 2» были созданы в 1959-1961 годах. В 60-х годах советские конструкторы разработали около 30 моделей транзисторных компьютеров, большинство которых стали выпускаться серийно. Наиболее мощный из них – «Минск 32» выполнял 65 тысяч операций в секунду. Появились целые семейства машин: «Урал», «Минск», БЭСМ. Рекордсменом среди ЭВМ второго поколения стала БЭСМ 6, имевшая быстродействие около миллиона операций в секунду – одна из самых производительных в мире.
Начало 70-х годов знаменует переход к компьютерам четвертого поколения – на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Другим признаком ЭВМ нового поколения являются резкие изменения в их архитектуре.
Техника четвертого поколения породила качественно новый элемент ЭВМ – микропроцессор или чип (от английского слова chip). В 1971 году пришли к идее ограничить возможности процессора, заложив в него небольшой набор операций, микропрограммы, которые должны быть заранее введены в постоянную память. Оценки показали, что применение постоянного запоминающего устройства в 16 килобит позволит исключить 100-200 обычных интегральных схем. Так возникла идея микропроцессора, который можно реализовать даже на одном кристалле, а программу в его память записать навсегда.
К середине 70-х годов положение на компьютерном рынке резко и непредвиденно стало изменяться. Четко выделились две концепции развития ЭВМ. Воплощением первой концепции стали суперкомпьютеры, а второй – персональные ЭВМ. Из больших компьютеров четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись американские машины «Крей-1» и «Крей-2», а также советские модели «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». Первые их образцы появились примерно в одно и то же время – в 1976 году. Все они относятся к категории суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего времени характеристики и очень высокую стоимость. К началу 80-х годов производительность персональных компьютеров составляла сотни тысяч операций в секунду, производительность суперкомпьютеров достигала сотен миллионов операций в секунду, а мировой парк компьютеров превысил 100 млн.
19 апреля 1965 года, в журнале Electronics (vol. 39, No.8) вышла знаменитая статья Гордона Мура (Gordon Moore) «Переполнение числа элементов на интегральных схемах», в которой он дал прогноз развития микроэлектроники на ближайшие десять лет, предсказав, что количество элементов на кристаллах электронных микросхем будет и далее удваиваться каждый год.
Позднее, выступая в 1975 году перед аудиторией конференции International Electron Devices Meeting, Годрон Мур отметил, что за прошедшее десятилетие количество элементов на кристаллах действительно удваивалось каждый год, однако в будущем, когда сложность чипов возрастёт, удвоение числа транзисторов в микросхемах будет происходить каждые два года. Это новое предсказание также сбылось, и закон Мура продолжает в этом виде (удвоение за два года) действовать и поныне, что можно наглядно видеть по следующей таблице.
Кванты вместо электронов
Все мы понимаем, что рано или поздно кремниевая технология, используемая сегодня для создания процессоров, достигнет своего предела. Это как с нефтью – рано или поздно она закончится – вот поэтому уже сейчас начинают разрабатывать альтернативные энергетические технологии! Точно такая же ситуация сложилась и в мире информационных технологий – кремниевой технике начинают искать замену. Бегущие по проводникам, как танки, электроны довольно непрактичны – как минимум теряется значительная часть их энергии, выделяясь в виде тепла и электромагнитного излучения, хотя это не единственный минус. Причем на рассмотрение предлагаются абсолютно разные варианты замены – от биокомпьютера до оптических процессоров. Стоп! А что это такое? Вряд ли у каждого из нас на столе, скажем, через десять лет будет стоять компьютер из бактерий, а вот то, что в компьютере будущего будет установлен оптический процессор – вполне реально. Сегодня мы поговорим об этом чуде рук человеческих.
Рассмотрим преимущества оптической технологии:
· Можно параллельно передавать двумерные массивы и даже целые изображения за один световой импульс.
· Возможность использования совершенно разных сред передачи, хранения и обработки информации.
· Обработка информации возможна во время ее передачи через оптическую систему, которая представляет собой вычислительную среду. Представляете, вы отправили картинку для ее обработки – она будет обработана почти мгновенно, потому что она обрабатывается по мере ее прохождения через оптическую систему.
· Информация, которая закодирована оптическим лучом, может передаваться со скоростью света без выделения большого количества энергии на логических элементах! Это действительно хорошо – ведь чем меньше затраты энергии, тем лучше.
· Оптическая система не позволяет перехватывать информацию, поскольку ничего не излучает в окружающую среду. Все эти преимущества достигаются благодаря тому, что в качестве носителей информации используются фотоны, а не электроны.
· Частота оптического излучения составляет1012…1016 Гц, что позволяет создать до 105 информационных каналов со спектральной шириной 100 ГГц;
· Передача информации фотонами происходит действительно со скоростью света в веществе, где С0= 3∙1010 см/с, n - показатель преломления, в то время как скорость распространения электрического импульса по чипу определяется временем перезарядки цепи и реально составляет величину в20-30 раз меньше ;
· Большое число световых пучков могут свободно проходить по одной и той же области пространства, пересекаться и из-за отсутствия у фотонов электрического заряда и не влиять друг на друга;
· Использование двумерного(изображения) и трехмерного(голограммы) характера световых полей позволяет значительно увеличить плотность и скорость передачи информации;
· Возможна когерентная обработка информации с использованием фазовых соотношений;
· Два состояния поляризации(горизонтальная и вертикальная или круговая, по левому или правому кругу) увеличивают вдвое объем переносимой информации;
· Возможность использования совершенно разных сред передачи, хранения и обработки информации;
· Информация, которая закодирована оптическим лучом, может передаваться без дополнительных затрат энергии;
· Обработка информации возможна во время ее передачи через оптическую систему, которая реализует вычислительную среду;
· Можно параллельно передавать целые изображения за один световой импульс.
Проникновение оптических методов в вычислительную технику ведётся по трём основным направлениям:
Первое основано на использовании аналоговых оптических вычислений для решения большого класса специальных задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований. Однако применение аналоговых оптических вычислений в универсальных вычислительных системах затруднено из-за недостаточной точности аналоговых методов, накопления шумов в процессе обработки информационного светового потока и из-за малого динамического диапазона.
Второе направление связано с использованием оптических соединений трактов для передачи сигналов на различных ступенях иерархии элементов и устройств вычислительной техники. Места электрического соединений в современных ЭВМ- наименее надёжные элементы в их конструкции. Переход к гибридным(оптоэлектронным) системам- одно из возможных решений проблемы. При этом в конструкции компьютера неизбежно появляются новые элементы- оптоэлектронные преобразователи электрических сигналов в оптические и обратно с потерями до30 %.
Третье направление в разработке ОК связано с созданием оптических элементов на основе явления оптической бистабильности. Экспериментально реализованы полностью оптические логические устройства и усилители, комбинации которых позволяют создавать сложные информационные системы. К таким устройствам относятся элементы булевой логики, трансфазеры– оптические. Транзисторы, триггеры- они же ячейки запоминающих устройств, и др. Построение ОК, в котором носителем информации на всех этапах её обработки и передачи является только оптическое излучение, исключает необходимость многократного преобразования электрической энергии в световую и обратно.
В современном электронном компьютере можно отметить следующие оптические узлы и элементы: устройства ввода информации– оптический сканер, оптическая мышь; устройства обмена информацией– инфракрасный порт, оптоволокно; устройства вывода информации– лазерный принтер, голографический(объемный) дисплей; устройства памяти– долговременная память на перезаписываемых оптических дисках, магнитооптические диски, голографические диски.
Компания Intel в 2004 г. анонсировала программу Silicon Photonics ориентированную на создание оптических узлов, встраиваемых в процессор, – лазеров, модуляторов, мультиплексоров и демультиплексоров с использованием интегральной кремниевой технологии.
Оптические технологии в первую очередь ориентированы(по крайней мере, сейчас) на промышленное производство, военную технику– там, где нужно в реальном времени обрабатывать большие потоки информации. 8*1012.
Оптический процессор– устройство в виде совокупности оптических и оптико-электронных элементов выполняющее в соответствии с заданным алгоритмом оптическую обработку информации. Оптические процессоры подразделяются на аналоговые и цифровые. Аналоговые оптические процессоры состоят из линз, зеркал, призм, нескольких пространственно временных модуляторов света. Они применяются для выполнения преобразований Фурье и Френеляи умножения над двумерными функциями, выделения сигналов из шумов. Цифровые оптические процессоры состоят из одного или нескольких пространственно временных модуляторов света и волоконно-оптических элементов. Алгоритм обработки информации подобен алгоритму в универсальных компьютерных программах, предназначенных для использования в высокопроизводительных комплексах.
Процессор EnLight 256
Одна израильская фирма создала коммерческий оптический процессор, который можно купить, а не только посмотреть на опытный образец и сказать: «Как быстро он работает». Данный процессор фирмы Lenslet EnLigth 256 – это первый оптический DSP (Digital Signal Processor), превосходящий в три раза лучшие электронные DSP. Вообще-то, если уж быть предельно точным, то EnLight 256 – это гибридный оптический процессор – он не весь полностью оптический, а содержит преобразователи. Но на сегодняшний день полностью создать оптический компьютер не то, чтобы очень сложно, но пока дорого. А тут мы меняем только ядро (ведь все остальное остается таким же – электрическим) и получаем огромный прирост производительности.
Ядро этого процессора – оптическое, а входная и выходная информация представляется в электронном виде. Ядро состоит из 256 VCSEL–лазеров, пространственного модулятора света, набора голографических линз и фото приемников.
Данная технология, как мы уже знаем, использует оптическое ядро, а входная и выходная информация представляется в электронном виде. Такая организация позволяет использовать лучшее из оптических и электрических технологий. Оптическая матрица VMM (Vector-Matrix Multiplication) – ядро процессора – конвертирует электрическую информацию в свет, затем производит необходимые преобразования этой информации (вычислительные операции), направляя свет через программируемую внутреннюю оптику. Свет, который появляется на выходе, принимается множеством датчиков и преобразуется обратно в
электрический сигнал.
Принцип работы ядра VMM
Теперь разберемся, как это все программируется. Программирование оптического цифрового сигнального процессора (Optical Digital Signal Processing Engine, ODSPE) заключается в изменении значений, которые сохранены в пространственном модуляторе (Spatial Light Modulator, SLM). Загрузка приложения (или данные внутри приложения) аналогична замене матрицы в пространственном модуляторе. Можете догадаться сами, как быстро это происходит.
Где сейчас используется EnLight 256? Основные сферы его применения – это военная промышленность и обработка видео в реальном времени – обе сферы требуют высокой производительности. Представьте, что будет, если при вычислении угла отклонения ракеты компьютер немного «задумается»???
Lenslet сегодня занимается внедрением модуля Ablaze как средства для кодирования видеосигнала HDTV каналов. Один процессор EnLight 256 способен заменить несколько схем с большим количеством стандартных DSP-процессоров.
Сегодня оптический процессор компании Lenslet конструктивно реализован традиционно - "материнская" плата со смонтированными оптоэлектронными компонентами. Но в ближайшее время компания обещает компактный конструктив – микросборку.
Внутри "вычислительного ядра" Enlight, по сути, находится параллельная счетная машина со специализированной архитектурой, оптимальной для выполнения фактически одной задачи. Но зато какой именно! Умножение матрицы на вектор – каноническая операция в вычислительной математике, основной типовой "кирпичик", из множества которых можно соорудить чуть ли не все что угодно.
Мы надеемся, что смогли убедить вас в том, что прогресс не стоит на месте. Скажем больше – по историческим меркам должно пройти совсем немного времени до того момента, когда в наших технических возможностях начнутся большие перемены. Так что вы, можно сказать, почти вплотную приблизились к началу новой эпохи. В интересное время мы живем, друзья! Впрочем, не знаем, как вам, а нам приятно это сознавать.
Литература:
1. Р. С. ГУТЕР Ю.Л.ПОЛУНОВ, От абака до компьютера, ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ», Москва 1981;
2 . В.Г. Беспалов, ОСНОВЫ ОПТОИНФОРМАТИКИ, Часть I., Информационные технологии – от электронного к оптическому компьютеру, ИТМО, Санкт-Петербург, 2006.
