89030602412

Басалин Павел Дмитриевич

СХЕМОТЕХНИКА И ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

продолжением курса будет курс : Интеллектуальные информационные системы

В данном курсе мы рассмотрим:

• цифровые вычислительные системы

• аналоговая техника

• нейрокомпьютеры

• квантовые компьютеры

• базовые принципы организации вычислений

• многоуровневое представление архитектуры

Общее представление архитектуры вычислительной системы

Введение

Развитие и внедрение в практику новых информационных технологий рассматривается как комплексный системный подход к автоматизации процессов манипулирования с информацией в различных его аспектах. это неизбежно приводит к более широкой трактовке многих понятий. Так под вычислениями подразумеваются любые процедуры, связанные с получением, хранением, обработкой, передачей и использованием информации.

Пять аспектов манипулирования информацией: Информацию можно: хранить, обрабатывать, передавать и использовать.

Любая система, которая манипулирует информацией в одном из этих аспектов, является информационной системой.

В более широкой трактовке рассматривается и понятие вычислительной системы (ВС). Очевидно, оно должно объединять в себе любые аппаратно-программные системы, манипулирующие с информацией хотя бы в одном из перечисленных выше аспектов. Это могут быть простейшие системы передачи данных или сложнейшие системы представляющие собой взаимосвязанную совокупность: одного или многих процессоров или компьютеров (возможно базирующихся на различных принципах организации вычислений);многоуровневая память; периферийные устройства; программное обеспечение управляющее аппаратными средствами и расширяющее их возможности в плане реализации информационно-вычислительных процессов различного характера.

Архитектура – все то, что полезно знать пользователю о компьютерах. Следовательно для разных пользователей это понятие разное. Дадим более четкое определение. Под архитектурой ВС будем понимать многоуровневое представление основных принципов её организации, отражающее суть протекающих в ней процессов и механизмов управления ими на различных уровнях детализации.

1. Многоуровневое представление архитектуры вычислительных систем.

Рассмотрим общее представление архитектуры вычислительных систем, охватывающее базовые принципы ей организации и возможные тенденции их развития выделим 10 уровней детализации:

Рисунок 1.1

Данное представление является обобщающим для различных ВС и их составных компонент. Его уровни приобретают определенное содержание и смысл при рассмотрении конкретных проектов ВС.

Базовый естественно-математический уровень

Отражает положенные в основу создание и функционирование аппаратной составляющей (аппаратной части) ВС, известные из естественных наук законы, явления и эффекты реального мира, а также математические модели, описывающие их; физические законы, явления и эффекты классической электроники позволяют строить электронные аналоги матмематических моделей, определяющих вычислительный базис, реализуемый аппаратной частью ВС.

Данная схема – решение конкретного дифференциального уравнения второго порядка. Пример аналоговой вычислительной машины.

Эти аналоги могут составить элементный базис классической аналоговой машины, специализированной на определенный класс задач. Также они (эти аналоги) могут служить основой для реализации нейронной сети нейропроцессора (искусственные нейроны соединены в определенные структуры ??? которые реализуются также электрическими схемами) в аналоговом исполнении. При этом отправными для построения модели такого аналога являются биологические законы организации и функционирования человеческого мозга.

С использованием классической электроники и свойств полупроводниковых материалов создается элементная база современной цифровой аппаратуры. Простейший пример – дешифратор.

Законы квантовой электроники, ??? квантовой механики служат теоретической основой для построения квантового компьютера. Логическое ядро такого компьютера представляет собой квантовую систему, построенную методами нанотехнологий на основе N атомов или элементарных частиц, имеющих два уровня состояния и называемых кубитами (quantum bit).

Линейность и обратимость квантовых законов поведения такой системы позволяет использовать унитарные операторы для преобразования когерентной суперпозиции 2^N базовых состояний N‑кубитового базового регистра в гильбертовом пространстве соответствующей размерности.

Это, так называемое, свойство квантового параллелизма обеспечивает экспоненциальное ускорение вычислительного процесса, что играет важную роль для решения N-p трудных проблем.

То есть: Есть N разрядный регистр. У него 2^N состояний. Компьютер обрабатывает этот регистр, т е обсчитывает все возможные состояний. Проблема N-p трудная. Квантовый процессор обрабатывает все состояния сразу (мгновенно). Сложность в том, как внести исходные данные и как снять результат.

Аналоговый уровень

Связан с определением базовых аналоговых элементов и построением на их основе более сложных электронных аналогов. Базовые аналоговые элементы реализуют простейшие преобразования непрерывных физических сигналов, соответствующих переменным математических моделей. Более сложные электронные аналоги выполняют функционально законченные математические операции, из которых складывается существенно параллельный процесс (все функциональные блоки аналогового процессора принимают одновременное участие в решении задачи) решения задач.

В рамках классической полупроводниковой электроники в качестве базовых аналоговых элементов определены диоды, транзисторы, емкости, сопротивления.

Проектирование сложных электронных схем из базовых элементов осуществляется методами аналоговой схемотехники, использующие законы Ома, Кирхгофа и известные модели базовых аналоговых элементов.

Сложнее обстоит дело с построением аналога, функционирующего по законам квантовой электроники.

Данное направление развития ВС в настоящее время находится скорее на стадии теоретических изысканий и попыток построения экспериментальных образцов из нескольких кубитов. Последние связаны с решением сложных проблем выбора подходящей физической системы дл реализации кубитов, определения способов селективного (избирательного) управления ими (кубитами) и измерения их состояния при извлечении результатов.

Аналоговые ВС, будь то аналоговая вычислительная машина или нейрокомпьютер в аналоговом исполнении, обладая колоссальным быстродействием, в силу существенного параллелизма вычислений имеет ряд недостатков:

• отсутствие универсальности, гибкости в плане переориентации системы на другую задачу;

• проблемы обеспечения требуемой точности вычислений, которые могут возникать на определенных классах задач;

• низкая помехоустойчивость системы, функционирующей в условиях существенного влияния внешних факторов (температурных режимов, уровня радиации, повышенной влажности и т. д.)

Цифровая ВС лишена указанных недостатков, универсальность цифрового микропроцессора, возможность обеспечения практически любой точности, более высокая помехоустойчивость определяют то предпочтение, которое отдано в современной практике цифровым ВС.

Существуют приложения, в которых решение задач в реальном масштабе времени не может быть обеспечено без применения нейросетевых технологий.

В таких ситуациях для придания необходимой гибкости системе, можно ориентироваться на создания гибридной архитектуры, сочетающей в себе аналоговый и цифровой принципы организации ВС. Таким образом на аналоговом уровне представление архитектуры цифровой или гибридной ВС должны рассматриваться вопросы построения аналоговых схем логических элементов, реализующих простейшие функции алгебры логики как математической основы цифровой аппаратуры. Удачное схемное решении, получаемое при этом во многом определяет качество ВС по таким критериям как быстродействие, надежность, потребляемая мощность, стоимость и д. р.