Междисциплинарный характер компьютерных проектов

1.7. Взаимовлияние физико-технических, схемо-и системотехнических факторов в процессе развития средств вычислительной техники

Согласно данным табл. 1.3, уже сейчас необходимо оценить последствия перехода вычислительной техники на нанометровую или супрамолекулярную элементную базу, которая кардинальным образом изменит физико-технические законы производства (табл. 1.4) и условия правильного функционирования электронных приборов, схемо- и системотехнические принципы и методы организации вычислений, а также критерии оценки эффективности работы ВС.

В первую очередь это относится к принципам и методам организации вычислений потому, что при выходе вычислительной техники в нано-метровую область изменится на противоположное отношение "ведомый-ведущий" между микроэлектроникой и вычислительной техникой. Если в традиционной вычислительной технике разработчики ВС задавали условия правильной работы микроэлектронной элементной базы, то наносхемотехника и супрамолекулярная электроника будут не только ограничивать функциональные возможности, но и предопределять спектр функций, реализуемых блоками и узлами вычислительной техники.

Действительно, и в нанометровых, и в супрамолекулярных вычислителях:

1. Гипербольшие (свыше 10⁶) коэффициенты распараллеливания вычислений предполагают наличие в их архитектуре как минимум сверхпараллельных ОЗУ данных и инструкций, обеспечивающих прямой доступ не к отдельным операндам и слов-инструкциям, а к циклически обрабатываемым многомерным потокам данных и периодически инициализируемым многомерным потокам инструкций.
2. Квантовые системы используются как "рабочее тело", в котором:
   1. аналоговые и/или цифровые переходные процессы осуществляются между стационарными состояниями,из которых только одно является устойчивым, так как отвечает минимуму энергии, а остальные состояния являются возбужденными и могут сохраняться в течение ограниченных интервалов времени:
      • 0,1-10 сек - для метастабильных состояний атомов или молекул,
      • не более 10^-8 сек - в противном случае;
   2. реализуемое отображение задается как начальным состоянием, так и входным воздействием, что предполагает ассоциативное взаимодействие потоков инструкций и данных ( PD- ассоциативность);
   3. задачи обнаружения, локализации и парирования отказов, которые свойственны эксплуатации по состоянию "высоконадежных" вычислительных систем, вырождаются в задачи принудительной циклической (ре)генерации "рабочего тела", которая в пределе может осуществляться после каждого цикла исполнения слов- или поток-инструкции и которая больше свойственна эксплуатации по регламенту "низконадежных" вычислительных систем.

Системотехническое сходство нанометровых и супрамолекулярных вычислителей состоит в том, что их инструктированный синтез в конечном счете сводится к созданию относительно устойчивого квантового "рабочего тела", задающего вероятностное пространственно-временное распределение потенциальных барьеров и потенциальных ям, где процесс перераспределения зарядов и/или энергии используется как вычислительный.

Разнятся эти вычислительные технологии механизмами задания (фиксации) структуры потенциальных барьеров и ям, а также механизмами ее взаимодействия с потоками перераспределяемых в пространстве и во времени заряженных частиц и/или энергии, которые кодируют входные, промежуточные и выходные потоки данных, что в схемотехническом плане становится существенным после формально-логического синтеза таких вычислителей.

Из приведенных данных видно, что в нанометровых и супрамолеку-лярных вычислителях:

1. (Удельная) производительность отойдет на второй план и перейдет в ограничения, а эффективность придется оценивать по аппаратно-временным и энергетическим затратам на средства управления и (ре) генерацию гипербольших коллективов вычислителей-наследников с учетом ограничений на допустимую деструкцию вычислителей-предков.
2. Свойственный существующим микро- и оптоэлектронным вычислительным системам дуализм между потоками инструкций и данных превратится в атрибут, так как станет проявляться не только в операторах условных переходов, но и практически на каждом цикле исполнения слов- или поток-инструкции, что приведет к предельным режимам управления потоками инструкций с помощью потоков данных.
3. Традиционные методы и средства обработки потоков данных или доступа к потокам инструкций наиболее интенсивно будут использоваться на этапах начальной загрузки потоков инструкций и исходных данных, выводящих гипербольшой коллектив вычислителей в "начальную точку" вычислительного процесса, когда требуется сверхпараллельное взаимодействие операционного ядра с ОЗУ данных и инструкций.
4. Процессы синтеза, "производства" или (ре)генерации и использования гипербольших коллективов проблемно- или алгоритмически ориентированных вычислителей станут совмещенными по времени и пространству и составят полный жизненный цикл существования (суб)процессоров, который может оказаться короче времени решения задачи пользователя.

В современных (микро)программируемых опто- и микроэлектронных средствах вычислительной техники можно добиться только высокодинамичных переходов между разделенными во времени и пространстве этапами синтеза, (ре)конструирования и использования сверхбольших коллективов вычислителей, реализующих основные и интерфейсные функции конкретных (суб)процессоров. При этом требуется, чтобы пользователю (суб)процессора был доступен либо вентильный, либо микропрограммный уровень управления, отвечающий требованиям (квази)

Рис. 1.14. Функциональная и структурная схема оптоэлектронной ЭВМ. Реализация на оптоэлектронной вентильной матрице реального масштаба времени и дифференцированного реагирования на карту отказов аппаратуры

Такой комплекс системотехнических условий проектирования и использования проблемно- или алгоритмически ориентированных (суб) процессоров на основе заранее изготовленных сверхбольших коллективов вычислителей в достаточно полной мере выполняется в произвольно коммутируемых через голографическую память оптоэлектронных вентильных матрицах (рис. 1.14) и в микроэлектронных МКМД-бит-процессорных матрицах.

Основная системотехническая особенность оптоэлектронной ЭВМ рассматриваемого типа состоит в том, что в ней отсутствуют какие-либо регистры команд и данных и все управление реализуется через гологра-фическую память, в которой промежуточные результаты предыдущих вычислений могут напрямую влиять на коды исполняемых в данный момент времени инструкций. Такой тип управления потоком команд через содержимое потоков данных соответствует предельному режиму PD- ассоциативного управления, который в обычных ЭВМ проявляется только в операторах условных переходов.

В рассматриваемом варианте оптоэлектронной ЭВМ процессор можно реализовать на основе оптоэлектронной вентильной матрицы, входы и выходы которой замыкаются друг на друга только через гологра-фическую память и в соответствии с правилами работы операционных, управляющих и интерфейсных устройств. Это говорит о том, что все функции оптоэлектронного процессора реализуются аппаратно. Поэтому в оптоэлектронных процессорах рассматриваемого типа синтез, управление и (ре)конструкция блоков и устройств осуществляются методами и средствами структурной адаптации схем соединения вентилей (реконфигурацией оптических связей в голографической памяти).

В МКМД-бит-потоковых вычислительных технологиях синтез, управление и реконструкция процессоров осуществляется методами и микропрограммными средствами параметрической настройки однородных МКМД-бит-процессорных подматриц на те и только те интерфейсные, адресные, операционные, управляющие и диагностические функции, которые поддерживают работу активизированных операторов проблемно-ориентированных (суб)процессоров.

Отсюда, в частности, следует, что МКМД-бит-потоковые (суб)про-цессоры работают в режиме интерпретации, а не трансляции (микро)про-грамм, что создает благоприятные условия для высокодинамичного парирования карт отказов аппаратуры за счет толерантного (пере)размещения тела (микро)программы на бит-матрице с существенно меньшим по отношению к ее рабочей "площади" "горячим" резервом. (Толерантный - терпимый, в данном случае к действующей множественной карте отказов.)

Таким образом, для обеспечения национальной безопасности в XXI веке Россия должна опережающими темпами развивать супрамоле-кулярную и наноэлектронику, которые обеспечивают технологический базис для создания полностью отечественных ВС и для промышленного освоения методов и средств генной инженерии и молекулярной биологии. Достичь желаемых результатов одним отслеживанием и освоением передовых зарубежных технологий невозможно, так как развитые страны не стоят на месте и наращивают свое технологическое превосходство над развивающимися странами. В таких условиях решающую роль может сыграть устойчивая научно-техническая политика государства, в рамках которой все принимаемые технические решения ориентированы не только на решение текущих задач, но и в комплексе учитывают 20-40-летнюю перспективу развития супрамолекулярной, наноэлектроники, генной инженерии и молекулярной биологии.

Системотехнические выводы по лекции 1

1. Появление электронно-вычислительных машин в конце Второй мировой войны предопределили несопоставимые потери мирного населения по отношению к боевым потерям. Парирование свершившейся угрозы потребовало решения в темпе реального времени задачи экстраполяции "случайной" траектории полета боевых самолетов, как основного источника потерь среди мирного населения.
2. Проект ЭВМ Н. Винера и его современников оказался успешным благодаря тому, что в нем алгебра Дж. Буля послужила "посредником" между формальными вычислительными машинами А. Тьюринга и физико-техническими переключательными процессами электронных вентилей, что в совокупности и обеспечило повышение производительности вычислителей на 4-5 порядков. Такой качественный скачок характеристик технических систем если и уступает, то только разработке атомной бомбы и не имеет аналогов по степени влияния на развитие человеческого общества.
3. Структурно-функциональная схема машины Тьюринга осталась практически неизменной во всех последующих поколениях ЭВМ, где принятые технические решения смещали только акцент между операционным, управляющим, коммутационным ресурсом и ресурсом памяти.
4. Каковы бы ни были функциональные возможности ЭВМ, их интеллектуальные возможности ограничены средствами интерпретации входных данных и результатов вычислений, требующих восстановления смыслового содержания исходных и результирующих данных.
5. Существует глубокая системная связь между физико-техническими процессами, лежащими в основе вычислений, и организацией самих вычислений, которая должна удовлетворять минимуму аппаратно-временных затрат на организацию вычислений. Поэтому предельные характеристики по пропускной способности можно получить только на основе комплексного использования интенсивных (архитектурных) и экстенсивных (конструкторско-технологических) факторов повышения характеристик качества создаваемых вычислительных систем.
6. Для восстановления утраченных позиций в области высоких технологий России прежде всего нужна устойчивая научно-техническая политика, которая ориентирована не "вдогон" значительно ушедшим вперед странам, уже осваивающим в промышленных масштабах достижения нанотехнологий, а в "точку встречи", которую следует рассчитать с учетом 20-30-летней перспективы.
7. Освоение нанотехнологий в вычислительной технике требует как минимум пересмотра традиционных вычислительных технологий в сторону синтеза и регенерации "ненадежными" методами и средствами "квазиустойчивых" гетероструктур нанометровой и супра-молекулярной области из "ненадежных" компонент с малым "временем жизни". Описанные условия характерны для молекулярно-биологических процессов (суб)клеточного уровня.