42 Глава 1. Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

соров с памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего вырождающейся в общую шину. Таким образом, структура ВС с общей памятью аналогична рассмотренной выше архитектуре с общей шиной, в силу чего ей свойственны те же недостатки. Применительно к вычислительным системам данная схема имеет дополнительное достоинство: обмен информацией между процессорами не связан с дополнительными операциями и обеспечивается за счет доступа к общим областям памяти.

Рис 1.5.Структура вычислительной системы с общей памятью

Альтернативный вариант организации — распределенная система, где общая память вообще отсутствует, а каждый процессор обладает собственной локальной памятью (рис. 1.6). Часто такие системы объединяют отдельные ВМ. Обмен информацией между составляющими системы обеспечивается с помощью коммуникационной сети посредством обмена сообщениями.

Рис 1.6.Структура распределенной вычислительной системы

Подобное построение ВС снимает ограничения, свойственные для общей шины, но приводит к дополнительным издержкам на пересылку сообщений между процессорами или машинами.

Перспективы совершенствования архитектуры ВМ и ВС

Совершенствование архитектуры вычислительных машин и систем началось с момента появления первых ВМ и не прекращается по сей день. Каждое изменение в архитектуре направлено на абсолютное повышение производительности или, по крайней мере, на более эффективное решение задач определенного класса. Эволюцию архитектур определяют самые различные факторы, главные из которых показаны на рис. 1.7. Не умаляя роли ни одного из них, следует признать, что наиболее

Перспективы совершенствования архитектуры ВМ и ВС 43

очевидные успехи в области средств вычислительной техники все же связаны с технологическими достижениями. Характер и степень влияния прочих факторов подробно описаны в [120] и в данном учебнике не рассматриваются.

Рис. 1.7. Факторы, определяющие развитие архитектуры вычислительных систем С каждым новым технологическим успехом многие из архитектурных идей переходят на уровень практической реализации. Очевидно, что процесс этот будет продолжаться и в дальнейшем, однако возникает вопрос: «Насколько быстро?» Косвенный ответ можно получить, проанализировав тенденции совершенствования технологий, главным образом полупроводниковых.

Тенденции развития больших интегральных схем

На современном уровне вычислительной техники подавляющее большинство устройств ВМ и ВС реализуется на базе полупроводниковых технологий в виде сверхбольших интегральных микросхем (СБИС). Каждое нововведение в области архитектуры ВМ и ВС, как правило, связано с необходимостью усложнения схемы процессора или его составляющих и требует размещения на кристалле СБИС все большего числа логических или запоминающих элементов. Задача может быть решена двумя путями: увеличением размеров кристалла и уменьшением площади, занимаемой на кристалле элементарным транзистором, с одновременным повышением плотности упаковки таких транзисторов на кристалле.

Наиболее перспективным представляется увеличение размеров кристалла, однако только на первый взгляд. Кристаллической подложкой микросхемы служит тонкая пластина, представляющая собой срез цилиндрического бруска полупроводникового материала. Полезная площадь подложки ограничена вписанным в окружность квадратом или прямоугольником. Увеличение диаметра кристаллической подложки на 10% на практике позволяет получить до 60% прироста числа транзисторов на кристалле. К сожалению, технологические сложности, связанные с изготовлением кристаллической подложки большого размера без ухудшения однородности ее свойств по всей поверхности, чрезвычайно велики. Фактические тенденции в плане увеличения размеров кристаллической подложки СБИС иллюстрирует рис. 1.8.

Точки излома на графике соответствуют годам, когда переход на новый размер кристалла становится повсеместным. Каждому переходу обычно предше-

44 Глава 1. Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

Рис. 1.8. Тенденции увеличения диаметра кристаллической подложки СБИС ствуют 2-3-летние исследования, а собственно переход на пластины увеличенного диаметра происходит в среднем один раз в 9 лет.

Пока основные успехи в плане увеличения емкости СБИС связаны с уменьшением размеров элементарных транзисторов и плотности их размещения на кристалле. Здесь тенденции эволюции СБИС хорошо описываются эмпирическим законом Мура [168]. В 1965 году Мур заметил, что число транзисторов, которое удается разместить на кристалле микросхемы, удваивается каждые 12 месяцев. Он предсказал, что эта тенденция сохранится в 70-е годы, а начиная с 80-х темп роста начнет спадать. В 1995 году Мур уточнил свое предсказание, сделав прогноз, что удвоение числа транзисторов далее будет происходить каждые 24 месяца.

Создание интегральных микросхем предполагает два этапа. Первый из них носит название литографии и заключается в получении маски, определяющей структуру будущей микросхемы. На втором этапе маска накладывается на полупроводниковую пластину, после чего пластина облучается, в результате чего и формируется микросхема. Уменьшение размеров элементов на кристалле напрямую зависит от возможностей техноло^да (bml..LSi\.....___,.....___......,..........................

Рис 1.9. Размер минимального элемента на кристалле интегральной микросхемы

Перспективы совершенствования архитектуры ВМ и ВС 45

Современный уровень литографии сделал возможным серийный выпуск СБИС, в которых размер элемента не превышает 0,13 мкм. Чтобы оценить перспективы развития возможностей литографии на ближайший период, обратимся к прогнозу авторитетного эксперта в области полупроводниковых технологий — International Technology Roadmap for Semiconductors. Результаты прогноза относительно будущих достижений литографии, взятые из отчета за 2001 год [185], приведены на рис. 1.10.

2300 2005 2010 2015 2020 Год Рис. 1.10.Прогноз максимальных размеров элементов на кристалле СБИС Наконец, еще одна общая тенденция в технологии СБИС — переход от алюминиевых соединительных линий на кристалле на медные. «Медная» технология позволяет повысить быстродействие СБИС примерно на 10% с одновременным снижением потребляемой мощности.

Приведенные выше закономерности определяют общие направления совершенствования технологий СБИС. Для более объективного анализа необходимо принимать во внимание функциональное назначение микросхем. В аспекте архитектуры ВМ и ВС следует отдельно рассмотреть «процессорные» СБИС и СБИС запоминающих устройств.

Тенденции развития элементной базы процессорных устройств

Современные технологии производства сверхбольших интегральных микросхем позволяют разместить на одном кристалле логические схемы всех компонентов процессора. В настоящее время процессоры всех вычислительных машин реализуются в виде одной или нескольких СБИС. Более того, во многих многопроцессорных ВС используются СБИС, где на одном кристалле располагаются сразу несколько процессоров (обычно не очень сложных). Каждый успех создателей процессорных СБИС немедленно положительно отражается на характеристиках ВМ и ВС. Совершенствование процессорных С БИС ведется по разным направлениям. Для целей данного учебника основной интерес представляет увеличение количества логических элементов, которое может быть размещено на кристалле, и повышение быстродействия этих логических элементов. Увеличение быстродействия ведет к наращиванию производительности процессоров даже без изменения их архитектуры, а в совокупности с повышением плотности упаковки логических эле-

46 Глава 1. Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

ментов открывает возможности для реализации ранее недоступных архитектурных решений.

К увеличению числа логических элементов на кристалле ведут три пути-:

• увеличение размеров кристалла;

• уменьшение размеров элементарных транзисторов;

• уменьшение ширины проводников, образующих внутренние шины или соединяющих логические элементы между собой.

Увеличение размеров кристаллов процессорных СБИС происходит в соответствии с ранее рассмотренными общими тенденциями и не имеет каких-либо особенностей.

Плотность упаковки логических элементов в процессорных СБИС принято оценивать количеством транзисторов, из которых, собственно, и строятся логические схемы процессора. Общие тенденции в плане плотности упаковки проследим на примере линейки микропроцессоров фирмы Intel (рис. 1.11). Из рисунка видно, что количество транзисторов в микропроцессорах, выпущенных до 2002 года, хорошо согласуется с законом Мура. Та же закономерность прослеживается и для других типов процессорных СБИС. Достаточно близки и абсолютные показатели разных микропроцессоров, выпущенных приблизительно в один и тот же период. Так, микропроцессор Pentium 4 фирмы Intel содержит 42 млн транзисторов, а микропроцессор Athlon XL фирмы AMD — 37 млн.

Чтобы оценить перспективы роста плотности упаковки на ближайшие два десятилетия, на рис. 1.11 дополнительно приведены прогностические данные на пе-

Рис. 1.11 .Тенденции увеличения количества транзисторов на кристаллах процессорных СБИС ]

Перспективы совершенствования архитектуры ВМ и ВС 47

риод до 2020 года, взятые из [185]. Нетрудно заметить, что прогноз также не слишком расходится с уточненным законом Мура. Общий итог можно сформулировать следующим образом: плотность упаковки логических схем процессорных СБИС каждые два года будет возрастать вдвое.

В качестве параметра, характеризующего быстродействие логических схем процессорных СБИС, обычно используют так называемую внутреннюю тактовую частоту. На рис. 1.12 показаны значения тактовых частот микропроцессоров фирмы Intel. Из графика видно стремление к росту внутренней тактовой частоты процессорных СБИС: удвоение частоты происходит в среднем каждые два года. На рисунке присутствует также прогноз на ближайший период (данные взяты из [185]), из которого явствует, что в ближайшем будущем темп увеличения внутренней тактовой частоты может несколько снизиться.

Рис. 1.12.Тенденции увеличения внутренней тактовой частоты процессорных СБИС

Тенденции развития полупроводниковых запоминающих устройств

По мере повышения возможностей вычислительных средств растут и «аппетиты» программных приложений относительно емкости основной памяти. Эту ситуацию отражает так называемый закон Паркинсона: «Программное обеспечение увеличивается в размерах до тех пор, пока не заполнит всю доступную на данный момент память». В цифрах тенденция возрастания требований к емкости памяти выглядит так: увеличение в полтора раза каждые два года. Основная память современных ВМ и ВС формируется из СБИС полупроводниковых запоминающих устройств, главным образом динамических ОЗУ. Естественные требования к таким СБИС: высокие плотность упаковки запоминающих элементов и быстродействие, низкая стоимость.

48 Глава 1. Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

Плотность упаковки запоминающих элементов на кристалле динамического ОЗУ принято характеризовать емкостью хранимой информации в битах. Представление о сойременном состоянии и перспективах на ближайшее будущее дает график, приведенный на рис. 1.13. Для СБИС памяти также подтверждается справедливость закона Мура и предсказанное им уменьшение темпов повышения плотности упаковки. В целом можно предсказать, что число запоминающих элементов на кристалле будет возрастать в два раза каждые полтора года.

Рис. 1.14. Разрыв в производительности процессоров и динамических запоминающих устройств С быстродействием СБИС памяти дело обстоит хуже. Высокая скорость процессоров уже давно находится в противоречии с относительной медлительностью

Перспективы совершенствования архитектуры ВМ и ВС 49

запоминающих устройств основной памяти. Проблема постоянно усугубляется несоответствием темпов роста тактовой частоты процессоров и быстродействия памяти, и особых перспектив в этом плане пока не видно, что иллюстрирует рис. 1.14. Абсолютные темпы снижения длительности цикла памяти, начиная с 1980года, показаны на рис. 1.15. Общая тенденция: на двукратное уменьшение длительности цикла динамического ЗУуходит примерно 15лет.

Рис. 1.15.Быстродействие микросхем динамической памяти В плане снижения стоимости СБИС памяти перспективы весьма обнадеживающие (рис. 1.16). В течение достаточно длительного времени стоимость в пере-

рос. 1.16.Тенденции снижения стоимости СБИС динамической памяти в пересчете на 1 Мбит

50 Глава 1. Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

Перспективные направления исследований в области архитектуры

Основные направления исследований в области архитектуры ВМ и ВС можно условно разделить на две группы: эволюционные и революционные. К первой группе следует отнести исследования, целью которых является совершенствование методов реализации уже достаточно известных идей. Изыскания, условно названные революционными, направлены на создание совершенно новых архитектур, принципиально отличных от уже ставшей традиционной фон-неймановской архитектуры.

Большинство из исследований, относимых к эволюционным, связано с совершенствованием архитектуры микропроцессоров (МП). В принципе кардинально новых архитектурных подходов в микропроцессорах сравнительно мало. Основные идеи, лежащие в основе современных МП, были выдвинуты много лет тому назад, но из-за несовершенства технологии и высокой стоимости реализации нашли применение только в больших универсальных ВМ (мэйнфреймах) и суперЭВМ. Наиболее значимые из изменений в архитектуре МП связаны с повышением уровня параллелизма на уровне команд (возможности одйовременного выполнения нескольких команд). Здесь в первую очередь следует упомянуть конвейеризацию, суперскалярную обработку и архитектуру с командными словами сверхбольшой длины (VLIW). После успешного переноса на МП глобальных архитектурных подходов «больших» систем основные усилия исследователей теперь направлены на частные архитектурные изменения. Примерами таких эволюционных архитектурных изменений могут служить: усовершенствованные методы предсказания переходов в конвейере команд, повышение частоты успешных обращений к кэшпамяти за счет усложненных способов буферизации и т. п.

Наблюдаемые нами достижения в области вычислительньгх средств широкого применения пока обусловлены именно «эволюционными» исследованиями. Однако уже сейчас очевидно, что, оставаясь в рамках традиционных архитектур, мы довольно скоро натолкнемся на технологические ограничения. Один из путей преодоления технологического барьера лежит в области нетрадиционных подходов. Исследования, проводимые в этом направлении, по нашей классификации отнесены к «революционным». Справедливость такого утверждения подтверждается первыми образцами ВС с нетрадиционной архитектурой.

Оценивая перспективы эволюционного и революционного развития вычислительной техники, можно утверждать, что на ближайшее время наибольшего прогресса можно ожидать на пути использования идей параллелизма на всех его уровнях и создания эффективной иерархии запоминающих устройств.

Контрольные вопросы

1. По каким признакам можно разграничить понятия «вычислительная машина» и «вычислительная система»?

2. В чем состоит различие между «узкой» и «широкой» трактовкой понятия «архитектура вычислительной машины»?