1.6. Перспективы развития вычислительной техники

С самого начала компьютерная промышленность была движима нескончаемым стремлением ко все большей и большей вычислительной мощности. Компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator – электронный цифровой интегратор и калькулятор) мог выполнять 300 операций в секунду, что в 1000 раз превосходило скорость всех электромеханических калькуляторов того времени. Однако его колоссальной по тем временам мощности разработчикам показалось недостаточно. Теперь существуют машины в миллион раз мощнее, чем ENIAC, однако спрос на все большие мощности не стихает. Астрономы пытаются понять вселенную, биологи бьются над расшифровкой генома человека, а инженеры хотят создать более надежные и экономичные самолеты. Всем им нужны компьютерные мощности. Сколько бы ни было доступно мощности на данный момент, ее всегда оказывается недостаточно.

В прошлом решение всегда состояло в том, чтобы увеличить тактовую частоту процессора. К сожалению, сегодня мы приближаемся к некоторым фундаментальным пределам тактовой частоты. В соответствии со специальной теорией относительности Эйнштейна, никакой сигнал (в том числе электрический) не может распространяться быстрее скорости света, равной 30 см/не в вакууме и около 20 см/не в медном проводе или оптоволоконном кабеле. Это означает, что в компьютере с тактовой частотой 10 Гц сигналы за один такт не могут распространяться дальше, чем на 2 см. Для 100-гигагерцового компьютера полная длина пути сигнала будет составлять максимум 2 мм. Компьютер с тактовой частотой 1 ТГц (1000 ГГц) должен иметь размеры менее 100 мкм, чтобы сигнал от одного его конца до другого успел пройти за один такт процессора.

Производство компьютеров такого размера, может, теоретически и возможно, но при этом мы сталкиваемся с другой фундаментальной проблемой: рассеянием тепла. Чем быстрее работает компьютер, тем больше тепловой энергии он производит, а чем меньше компьютер, тем труднее отводить эту тепловую энергию. Уже сейчас на новых системах с процессором Pentium вентилятор для охлаждения центрального процессора больше, чем сам центральный процессор. Для перехода с частоты 1 МГц на частоту 1 ГГц требовалось всего лишь постепенное усовершенствование технологии производства микросхем. Для перехода на частоту 1 ТГц потребуются более радикальные изменения.

Другой способ увеличения вычислительной мощности системы состоит в использовании параллельных вычислений. Для этого могут использоваться многопроцессорные компьютеры, состоящие из большого количества процессоров, каждый из которых работает с "нормальной" частотой (чтобы это ни означало в данном году). Однако совместно эти процессоры обладают значительно большей мощностью, чем отдельный центральный процессор. В настоящее время серийно выпускаются и продаются системы с 1000 процессорами. В ближайшее десятилетие, вероятно, будет построена система с 1 млн. процессоров.

Высокопараллельные компьютеры часто применяются для сложных вычислений. Такие задачи, как прогноз погоды, моделирование воздушного потока вокруг крыла самолета, мировой экономики или взаимодействия лекарства с рецептором в мозгу, требуют больших компьютерных мощностей. Для решения этих задач требуются долгие расчеты на большом количестве центральных процессоров одновременно. Многопроцессорные системы широко применяются для данных и подобных задач в науке и машиностроении, а также в других областях.

Еще один способ увеличения вычислительной мощности системы заключается в использовании параллельных расчетов на большом количестве отдельных компьютеров, соединенных в локальную или глобальную сеть. В настоящее время продолжается быстрый рост глобальной сети Интернет. Изначально эта сеть создавалась как прототип помехоустойчивой военной системы управления, затем она стала популярной среди ученых кибернетиков, а в последние годы

Интернетом начали пользоваться самые широкие слои населения. Не так давно Интернет получил еще одно применение: поскольку он связывает по всему миру тысячи компьютеров, было решено использовать эту сеть для решения больших научных проблем. С точки зрения вычислительной мощности, система, состоящая из 1000 компьютеров по всему миру, не отличается от такой же системы из 1000 компьютеров, стоящих в одном помещении, хотя характеризуется задержкой и имеет некоторые другие технические характеристики.

Поместить 1 млн. не связанных друг с другом компьютеров в одну комнату достаточно легко при условии, что у вас достаточно денег и достаточно большая комната. Разместить 1 млн. не связанных друг с другом компьютеров по всему миру еще легче, поскольку не нужно искать большого помещения. Проблемы начинаются, когда вам требуется соединить эти компьютеры друг с другом для решения одной общей задачи. Поэтому была проведена большая работа в области технологии межкомпьютерных соединений, а различные технологии привели к появлению качественно отличных типов систем и различной организации программного обеспечения. Весь обмен информацией между электронными компонентами сводится, в конечном итоге, к отправке и приему сообщений, представляющих собой строго определенные последовательности битов.