1.2. История развития моделей вычислений

1.2.1. Модель одиночного вычислителя

До недавних пор вычислительные операции осуществлялось на традиционных однопроцессорных ЭВМ с использованием так называемой модели одиночного вычислителя (далее – модели вычислителя).

В основу модели вычислителя положены три принципа ее построения.

1) Принцип последовательного выполнения операций означает, что в модели вычислителя допускается выполнение в каждый момент времени только одной операции. Этот фундаментальный принцип наиболее полно отражает процесс выполнения вычислений человеком-вычислителем, который реализует любой вычислительный процесс в виде конечной цепочки последовательно выполняемых операций.

2) Принцип фиксированной логической структуры заключается в фиксированной стандартной логической схеме выполнения операций.

3) Принцип конструктивной однородности означает ориентацию модели вычислителя на узкую специализацию функций, выполняемых отдельными частями модели.

Стандартную схему работы вычислителя иногда называют алгоритмом подражания. В соответствии с программой, разработанной квалифицированным специалистом, вычислитель осуществляет вычисления в виде последовательности простых арифметических и логических операций. Он как бы подражает квалифицированному специалисту при решении данной задачи. Поэтому специалист должен представить описание решения задачи, используя элементарные операции, известные вычислителю. Специалист должен также указать последовательность выполнения операций, чтобы у вычислителя не было неопределенности при переходе от одной операции к другой.

Принципиальным недостатком модели вычислителя является наличие теоретического предела производительности вычислений, обусловленного конечной скоростью передачи информации между элементами модели.

Быстродействие однопроцессорных ЭВМ до недавнего времени повышалось, в основном, за счет увеличения скорости срабатывания логических элементов. Благодаря достижению новых технологий скорость выполнения операций и взаимодействия с памятью за последние годы возросла на несколько порядков. Однако дальнейшее увеличение скорости срабатывания элементов стало ограничиваться причинами физического характера. При достаточно большом объеме вычислений время выполнения операций становится соизмеримым со временем передачи сигналов, которое не может быть уменьшено из-за больших размеров памяти, необходимой для хранения данных решаемой задачи.

Недостатком модели вычислителя является также то, что принцип фиксированной логической структуры при его физической реализации находит выражение в жесткой неизменяемой схеме ЭВМ, которая выходит из строя при появлении любой неисправности.

Указанные недостатки привели к неоднократным безуспешным попыткам создать высокопроизводительную ЭВМ на основе модели одиночного вычислителя. Оставаясь в рамках классических структур последовательных ЭВМ, трудно рассчитывать на обеспечение вычислительными мощностями сложных промышленных систем (например, таких систем, как на рис.1.1).

Для выхода из создавшегося положения стал необходим переход к новой модели вычислений – модели коллектива вычислителей.