Архитектура мкмд
Множественный поток команд - множественный поток данных (МКМД) или в английском варианте Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) – множественный поток инструкций – множественный поток данных.
Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственными потоками команд. Такая схема использования вычислительных систем часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности.
Перспективы развития архитектур вычислительных систем
Многопроцессорные системы претерпели ряд этапов за годы своего развития. Исторически первой стала осваиваться технология ОКМД (SIMD).
Однако в настоящее время наметился устойчивый интерес к архитектурам МКМД (MIMD). Этот интерес определяется главным образом двумя факторами:
1. Архитектура МКМД даёт большую гибкость: при наличии адекватной поддержки со стороны аппаратных средств и программного обеспечения. MIMD может работать как однопользовательская система, обеспечивая высокопроизводительную обработку данных для одной прикладной задачи, как многопрограммная машина, выполняющая множество задач параллельно, и как некая комбинация этих возможностей.
2. Архитектура МКМД может использовать все преимущества современной микропроцессорной технологии на основе строгого учета соотношения стоимость/производительность. В действительности практически все современные многопроцессорные системы строятся на тех же микропроцессорах, которые можно найти в персональных компьютерах, рабочих станциях и небольших однопроцессорных серверах.
Основные тенденции развития эвм и вычислительных систем
ЭВМ первого поколения выполняли 5 – 20 тысяч операций в секунду. Современные компьютеры могут выполнять несколько десятков триллионов операций в секунду. Например, в декабре 2008 года в России был создан вычислительный комплекс, способный выполнять 27 триллионов операций в секунду (установлен в Гидрометцентре России, включает в себя 30.000 микропроцессоров).
Сравним, было: 10 000 оп/сек
стало: 27 000 000 000 000 оп/сек
Производительность современных ЭВМ возросла почти в миллиард раз по сравнению с первыми ЭВМ. Чем же объясняется такой колоссальный рост производительности?
Совершенствование элементной базы и технологий
Элементная база служит показателем технического уровня развития страны, общества, цивилизации. Успехи в создании новой элементной базы определяются передовыми научными и техническими достижениями целого ряда наук (физики, химии, оптики, механики и др.). Качество элементной базы является показателем технического прогресса. Смена электронных ламп транзисторами, появление интегральных схем, разработка кремниевых чипов – каждое из этих событий производило революцию в компьютерной технике. Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).
Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в послойном изготовлении частей электронных схем по циклу "программа – рисунок – схема". По программам на напыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этого создается пространственная твердотельная структура. Например, СБИС типа Pentium включает около трех с половиной миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре.
Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До настоящего времени доминирующей оставалась оптическая литография, т.е. послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились световым лучом. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400 – 600 мм2 для процессоров (например, Pentium) и 200 – 400 мм2 – для схем памяти. Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,25—0,135 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на толщине 100 мкм требуется вычерчивать более двухсот линий.
Дальнейшие успехи микроэлектроники связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0,08; 0,05 и даже 0,018 мкм (данные февраля 2004 г., по материалам http://hardw.net). По данным на 2010 год минимальный топологический размер элементов составляет 35нм. Вместо ранее используемых алюминиевых проводников в микросхемах теперь повсеместно применяют медные соединения, что позволяет повысить частоту работы.
Такие высокие технологии порождают целый ряд проблем. Требуется очень дорогой технологический процесс в условиях "чистой атмосферы", т.е. при полном отсутствии пыли, в условиях глубокого вакуума или атмосферы инертного газа (например, чистого азота или аргона).
Напряжение питания современных микросхем составляет 2,4 – 1,3V. Появились схемы с напряжением питания, близким к 1V, что выходит за рамки принятых стандартов. Дальнейшее понижение напряжения нежелательно, так как всегда в электронных схемах должно быть обеспечено необходимое соотношение "сигнал-шум" (SNR), гарантирующее устойчивую работу ЭВМ.
Но рост производительности не может объясняться только лишь совершенствованием элементной базы.