1. Основные принципы

1.1. Постановка задачи и критические параметры

Вся история развития вычислительной техники с самых первых шагов до настоящих дней – живая иллюстрация философского принципа перехода количества в качество. Уровень развития технологии промышленного производства однозначно определяет уровень доступной мощности вычислительных машин. Другими словами, мы можем, задав некоторые параметры, характеризующие технологический уровень, на их основе построить пусть грубую, эмпирическую, но все же функцию, определяющую мощность вычислительных машин. Нам важно знать, какие же это исходные параметры.

Прежде чем говорить о них, обозначим, какие требования определяют мощностьвычислительной машины. Во-первых, машина должна уметь выполнять с нашими данными некоторые действия, причем, чем большее количество операций будет выполнено за некоторое время, тем наша машина мощнее. В этом смысле вместо мощности часто используют терминпроизводительность. Во-вторых, вычислительная машина должна уметь хранить наши данные (говорят также об информации). Очевидно, чем больше данных она может хранить, тем выше ее мощность. Однако простой емкости недостаточно, машина должна предоставлять данные для обработки со скоростью, сравнимой со скоростью выполнения операций с ними.

Важное замечание. Информация в машине может быть представлена некоторым набором букв (этот набор называется алфавитом). Выбор алфавита – задача, требующая отдельного изучения, но, главное, она не только математическая, но и технологическая – символы должны быть удобными для обработки и хранения. Не вдаваясь в подробности, мы заметим, что развитие промышленной технологии с некоторого момента потребовало, чтобы информация была представлена набором, состоящим лишь из двух символов 0 и 1. Таким образом, вся информация выражается в виде двоичных чисел или битов (из английского:bit–binarydigit, двоичное число).

Из вышесказанного можно придти к выводу, что перед нашей машиной условно стоят две задачи: 1) обрабатывать данные (вычислять); 2) собирать (накапливать, упорядочивать) данные. Свое название в русском и английском языках машина получила от первой (не по сути, а по порядку упоминания) своей задачи – вычислительная машина (компьютер), а во французском языке от второй – «упорядочиватель». Вне зависимости от названия, в цифровой вычислительной машине всегда можно обнаружить блоки двух типов: 1) блок обработки данныхи 2)блок хранения данных. Если некоторый узел ЭВМ выполняет обе функции, значит он может быть разбит на более мелкие составляющие, которые будут распределены по этим двум функциям.

Какие же технологические параметры определяют мощность нашей машины? Их всего четыре: 1) энергоемкость, 2)надежность, 3)себестоимость хранения, 4) скорость доступа к данным. Несомненно, у технологов есть и другие важные параметры, но их вполне можно свести к этим четырем.

1.2. Энергоемкость и надежность

Допустим, мы собираемся увеличить количество операций, выполняемых машиной за единицу времени. Главное ограничение, с которым нам придется столкнуться, это энергоемкость энергия, затрачиваемая машиной на одну операцию. Увеличение скорости работы в два раза увеличивает в два раза потребляемую энергию. Вся потребляемая энергия будет превращена в тепловую энергию, и машина должна будет эффективно и без ущерба для себя рассеять это тепло. Мы можем увеличивать скорость работы машины только до тех пор, пока ее элементы способны работать. Для дальнейшего увеличения скорости работы нам придется снижать энергоемкость. Наиболее очевидный способ – использовать новую, более совершенную технологию с меньшим энергопотреблением, но это можно сделать далеко не всегда. В рамках уже используемой технологии есть два способа: 1) увеличить сложность машины так, чтобы требуемую задачу можно было бы решить за меньшее число операций; 2) попытаться уменьшать энергоемкость в рамках старой технологии, например, уменьшая напряжение питания. Применение обоих способов, к сожалению, ограничено требованиями к надежности вычислительной машины. Причем, первый способ менее влияет на надежность, чем второй, отчасти поэтому сложность машин постоянно увеличивается.

Надежностьв обычном техническом смысле рассматривается как среднее время работы машины до ее поломки, так называемаянаработка на отказ. Вероятность поломки, естественно, зависит от интенсивности работы, поэтому часто, указывая наработку на отказ, вместо времени используют другой, более характерный для этой машины параметр (например для автомобилей указывают пробег в километрах). В вычислительной технике наработку на отказ определяют как количество выполненных машиной операций.

В ходе работы вычислительной машины могут возникать ошибки в ее работе, которые не являются поломками в строгом смысле этого слова, так как не требуют ремонта. В результате такой ошибки в ходе вычислений, например, мы получим неверный результат. Эти ошибки обычно вызываются какими-то случайными внешними факторами (радиация, электро­магнитные помехи по линиям питания). Если мы сможем обнаружить ошибку, мы повторим вычисления и результат, можно надеяться, будет правильный. Поэтому для вычислительной техники приходится использовать второй показатель надежности: среднее количество операций до появления ошибки.

Оба этих неприятных явления приводят к ошибочным вычислениям, а значит к необходимости проведения повторных вычислений (или даже ремонта), что снизит общую производительность вычислительной машины. Надо сказать, что если уменьшение энергоемкости происходит поступательно, по мере развития технологий, то надежность первых машин была крайне низкой, что весьма ограничивало развитие вычислительной техники, зато первые технологические прорывы позволили довести надежность машин до приемлемого уровня, на котором она и остается сейчас. Уменьшать надежность за счет увеличения производительности, как и поступать наоборот, в большинстве практических случаев бессмысленно.

Важное замечание. Мы здесь не говорим о надежности программного обеспечения, которое представляет из себя «характеристику способности системы программного обеспечения выполнять возложенные на нее функции при поступлении требований на их выполнение» [1] и не имеет отношения к нашей теме.

В настоящее время в качестве важного технологического параметра в литературе широко используется следующий – размер элемента переключения. Этот параметр хорошо коррелирует с энергоемкостью. В частности, потому что уменьшение размера элемента переключения означает уменьшение его способности рассеивать требуемую энергию. В то же время, меньший размер элемента переключения почти всегда означает меньшую энергию, требуемую для переключения. Этот параметр нагляднее и для технологов намного удобнее, и технологи говорят онорме технологического процесса.В литературе применяются другие названия:размер транзистора, скольки-то – микронная технология. Можно использовать оба параметра, но для удобства изложения мы будем, по возможности, использовать только энергоемкость.

Несомненно, важной характеристикой любой машины является себестоимость выполняемых ею операций, так как бессмысленно заводить более мощную машину, если работа менее мощной обойдется дешевле, даже с учетом некоторой потери во времени. Себестоимость выполняемых операций любой, даже не вычислительной машины зависит: во-первых, от стоимости самой машины (необходимо эту стоимость разделить на количество операций, которое произведет машина за время жизни); во-вторых, от стоимости ее эксплуатации (потребляемая ею энергия, техническое обслуживание, ремонт). Насколько стоимость эксплуатации современной вычислительной машины определяется стоимостью потребляемой ей энергии? Несложно вычислить, что стоимость энергии, потребляемой любым узлом ЭВМ за период эксплуатации (а значит и всей ЭВМ в целом), значительно меньше стоимости самой машины и стоимости ее обслуживания за это время (попробуйте сделать такой подсчет самостоятельно для современных ЭВМ). ЭВМ, работающие по другим уже устаревшим технологиям, потребляли значительно больше энергии на одну операцию, однако их собственная стоимость и стоимость их обслуживания были намного выше, а количество операций, выполняемых за время жизни машины, меньше, поэтому доля потребляемой энергии в себестоимости операций при любой технологии производства вычислительных машин была невысокой. Можно сделать, например, такой вывод – себестоимость вычислений для вычислительных машин, изготовленных по любой технологии, в малой степени зависит от стоимости потребляемой ими энергии. Для современных ЭВМ несложно подсчитать, что себестоимость выполнения операций определяется прежде всего покупной стоимостью ЭВМ.

Можно ли считать, что себестоимость выполнения одной операции является самостоятельной характеристикой наряду с энергоемкостью и надежностью? Оказывается, нельзя. Себестоимость выполнения одной операции можно свести к энергоемкости машины, однако, стоимость потребляемой энергии, как было сказано выше, на нее не влияет (это важно понимать!). Для того чтобы это понять, рассмотрим 3 факта. 1). Меньшая энергоемкость позволяет увеличить скорость работы вычислительной машины, а это значит, что за время ее эксплуатации будет выполнено большее количество операций, что, в свою очередь, приведет уменьшению себестоимости выполнения каждой операции. 2). Раньше мы уже говорили о том, что энергоемкость связана с размером элемента переключения. Этот размер определяет общую стоимость изготовления машины (меньше размер – меньше стоимость). 3). Меньшая энергоемкость означает большую надежность машины в целом, а значит позволяет уменьшить стоимость ее обслуживания.

Повторим общий вывод другими словами. Себестоимость изготовления машины, как и себестоимость выполнения одной операции переключения не имеют самостоятельного значения, так как однозначно определяются энергоемкостью переключения. Себестоимость выполнения одной операции переключения практически не зависит от стоимости потребляемой машиной энергии.