Знакомьтесь, информационные технологии

, оба они выполняют преобразования информации. Изменилась и память: вместо медленной ферритовой памяти объемом в единицы килобайт, занимающей также несколько шкафов, в современных компьютерах используется полупроводниковая память, в которой на одном кристалле хранятся десятки мегабайт данных. Стоит отметить, что в начале «компьютерной эры» байты были разные, содержащие 7 или 8 бит. Ушли в прошлое и перфокарты – основное средство для ввода информации в компьютер, и АЦПУ – алфавитно-цифровое печатающее устройство, позволяющее выводить данные на печать. Дисплей же, клавиатура, гибкий диск, мышь – значительно моложе компьютера. И изменения продолжаются: компьютеры становятся еще меньше, еще мощнее, еще удобнее.

Первые компьютеры не назывались «мини» или «супер», это были просто компьютеры – самые мощные и единственные устройства, предназначенные для «большого счета». Позже, по мере развития, компьютеры стали ориентироваться на выполнение различных задач и, соответственно, стали появляться различные виды компьютеров, отличающиеся в первую очередь по мощности (и, естественно, по цене). Сегодня можно говорить о трех больших группах компьютеров.

• Суперкомпьютеры, предназначенные для решения задач, требующих огромных вычислений, например расчеты космических полетов. К этой же группе относятся и серверы – компьютеры, предназначенные для «обслуживания» других компьютеров в различных вычислительных сетях. Серверы могут иметь разную производительность, и самые мощные из них приближаются к суперкомпьютерам.

• Персональные компьютеры, которые могут работать самостоятельно или в составе сети. В свою очередь, персональные компьютеры конструктивно делятся на две группы – настольные и переносные. В зависимости от размера, переносные компьютеры принято называть: Laptop (наколенный компьютер) – массой 5–7 кг, Notebook (размером с книгу) – массой 2–4 кг, Subnotebook – массой менее 2 кг.

• Мобильные компьютеры, или персональные помощники (PDA – Personal Digital Assistant), умещающиеся в кармане и всегда находящиеся под рукой.

Каждая из групп развивается самостоятельно и тенденции развития у них индивидуальные. В данной главе рассматриваются перспективы развития суперкомпьютеров и персональных компьютеров, после чего дается прогноз для мобильных устройств.

Основные блоки современного компьютера – процессор, память, коммуникационный узел – стали столь малы, что могут размещаться на одном кристалле. Естественно, человеку неудобно работать с компьютером, у которого нет устройств ввода и вывода информации – клавиатуры, мыши, дисплея, динамиков, но различные технические устройства прекрасно работают с такими компьютерами. Стоимость однокристалльных компьютеров не велика – до 10 долларов. Поэтому если встроить их в домашние устройства или станки, игрушки или автомобили, их стоимость изменится совсем незначительно, но они приобретут новые качества, станут интеллектуальными, способными на принятие самостоятельных решений и на интерактивное общение с человеком. Именно потому, что малые денежные затраты позволяют получить новые качества, мы сегодня наблюдаем процесс активного объединения компьютеров и домашних устройств.

Наверное, наиболее заметные изменения произошли с базовым ядром компьютера – процессором. Даже появился закон, определяющий скорость развития процессоров, – закон Мура. Закон Мура, сформулированный одним из основателей Intel Гордоном Муром (Gordon Moore), гласит, что количество транзисторов на процессоре будет удваиваться каждые 18–24 месяца, что будет вызвано уменьшением их размеров. Большее количество транзисторов ведет к пропорциональному увеличению производительности. К 2010 году микропроцессоры будут содержать примерно 400 млн. транзисторов. Такие процессоры будут работать при напряжении ниже одного вольта. Пока этот закон действует.

Именно процессор определяет основные «способности» компьютера. Несколько типов процессоров определили направления развития компьютеров.

Сегодня прошла эйфория ожидания массового появления роботов на работе, в магазинах и дома. И хотя разговоров про роботов стало меньше, реальных решений – больше. И эти решения основаны на мощном и непрекращающемся развитии компьютеров и программного обеспечения для них. Современные игрушки сегодня базируются на мощных однокристалльных компьютерах, значительно более производительных, чем персональные компьютеры десятилетней давности. Достаточно только познакомиться с игрушечными собаками Aibo от Sony или Dog.com от японской компании Тоту Со. Как и Aibo, более простая Dog.com способна в соответствии с одним из 16 заложенных шаблонов (плохой мальчик, хороший мальчик и т. п.) разговаривать, со временем обучаться и менять свою личность.

Эти умные игрушки сегодня уже не только развлекают малышей, но и обеспечивают уход и контроль состояния одиноких стариков, самостоятельно вызывая врача в том случае, если старик не «поговорил» со своей игрушкой в течение определенного времени. Выпуская и продавая такие игрушки, ведущие фирмы отрабатывают новые приемы и способы общения человека с «умными» приборами. Спокойно, без ненужных разговоров идет движение к реальным роботам, которые уже управляют стиральными и швейными машинами, микроволновыми печами и холодильниками. Просто мы, непосредственно участвуя в этом движении (например, покупая интеллектуальную стиральную машину или процессорную игрушку), не замечаем приближения новой эры.

И сегодня нет оснований полагать, что проникновение компьютеров и процессоров во все новые сферы нашей жизни прекратится. С каждым днем они становятся все меньше и мощнее, а значит, можно будет решать новые задачи, которые сегодня кажутся невыполнимыми. Именно вопросам развития компьютеров и процессоров посвящены разделы данной главы.

• Разд. «Предел для компьютера» позволяет ответить на вопросы о пределах развития персонального компьютера, специфике представления видео– и звуковой информации, а также в нем определяются направления дальнейшего развития PC.

• В разд. «Суперкомпьютеры – все мощнее и все дешевле» рассматриваются современные суперкомпьютеры и выявляются тенденции их развития. Одновременно исследуются основные области применения этих устройств.

• «…и компьютер превращается, превращается, превращается…». Программное управление бытовыми устройствами – от игрушек до сложных систем охраны и управления дома – придало всем этим изделиям новые качества. И во многих из них угадываются черты скрытого компьютера. Выявлению роли компьютера в повседневной жизни посвящен этот раздел.

• Разд. «Микропроцессоры – невидимые труженики» дает представление о тенденциях развития процессоров, истории их развития и структуре. Одновременно определяется взаимосвязь между отдельными группами компьютеров и классами процессоров.

Представленные материалы позволяют понять, как изменяются процессоры и компьютеры, что они могут делать сегодня и чего стоит ожидать нам завтра.

Предел для компьютера

Извечные русские вопросы «Кто виноват?» и «Что делать?» в наше время задаются все реже. Вместо них звучат новые вопросы: «Что выгоднее?», «Что эффективнее?», «Кому необходимо?», «В чем перспектива?» И чем актуальнее тема, тем чаще звучат эти вопросы. Сегодня на развитие рынка наиболее активно влияют информационные технологии, сердцевина которых– компьютер. Потому вопросы, связанные с перспективой развития компьютерной техники, являются крайне актуальными, и ответы на них могут существенно повлиять на оценки и перспективы развития рынка высоких технологий и, следовательно, рынка в целом. При этом, естественно, необходимо найти ответ на один из основных вопросов…

Есть ли предел развития компьютера?

Для любого вида техники можно указать два предела, которые ограничивают его развитие: технологический и органолептический. Технологические пределы определяются фундаментальными законами физики. В частности, не может быть создан двигатель, КПД которого был бы больше 100 %. Органолептические пределы зависят от физиологических возможностей человека. Так, самолет, способный обеспечить ускорение в 100 g, принципиально может быть создан. Однако это ускорение приведет к гибели пилота и потому создание такого самолета бессмысленно. Аналогичные пределы можно указать и для компьютерной техники.

Технологический предел определяется скоростью света в вакууме, которая составляет 300 тысяч км/с. Иными словами, за одну секунду фотон перемещается на 0,3х10

м. Электрон в веществе не может двигаться с большей скоростью. При частоте работы процессора 1 ГГц за один такт фотон переместится на 300 мм. Расстояние, которое проходит импульс в современном процессоре, может измеряться десятками миллиметров (площадь кристалла процессора более 100 мм

). Этот импульс несет не только информационное содержание, но и энергию, используемую, в первую очередь, для переключения триггера. Как следствие, реальный электрический импульс должен иметь ненулевую длительность. Все эти ограничения приводят к тому, что реальная частота работы процессора вряд ли превысит 10 ГГц. Отдельный транзистор уже работает на значительно более высоких частотах, но без реального перемещения импульсов в пространстве.

Таким образом, можно говорить о физической границе частоты работы процессоров. Конечно, будет совершенствоваться структура процессора, расширяться кэш-память. Уже появились многопроцессорные кристаллы – IBM объявила о выпуске процессора Power 4, здесь на одном кристалле находятся два процессора. Тем самым сокращается длина пути электрона внутри процессора, а повышение производительности обеспечивается за счет параллельной обработки данных.

* * *

Технические ограничения в развитии компьютеров стали ясны.

Но необходимо поставить и другой вопрос.

Что человеку нужно?

Необходимо оценить и предел, связанный с возможностями восприятия человеком информации. Уже есть одна область цифровой техники, в которой такой предел достигнут. Это – цифровой звук. Достаточно давно звук представлен в 16-битном формате. И, несмотря на многократно возросшие технические возможности, не намечается перехода на 32-битный звук. Причина только одна – получаемый звук обеспечивает максимально возможное для человека качество звучания. Предел достигнут.

Однако с видеоинформацией ситуация существенно отличается. Самое высокое качество изображения обеспечивает сегодня монитор компьютера. Для качества выводимой информации принципиальное значение имеет размер минимального элемента (пиксела), из набора которых формируются все изображения, и частота восстановления изображения на экране. У лучших мониторов размер пиксела – 0,2 мм, что позволяет выводить на 17-дюймовый экран до 1200 строк. Размер пиксела определяет «гладкость» картинки – чем меньше точка, тем четче картинка. Но даже 1200 строк позволяют заметить на экране и строки, и точки в строке.

Второй важный параметр – частота восстановления (регенерации) экрана – связан с особенностью работы электроннолучевой трубки (ЭЛТ) – основа почти всех современных телевизоров и мониторов. На экране ЭЛТ с помощью управляемого пучка электронов обеспечивается свечение одного пиксела, который светится только то время, пока на него подаются электроны. Таким образом, картинка на экране формируется последовательным «зажиганием» отдельных пикселов. После этого пиксел некоторое время продолжает светиться (так называемое послесвечение), которое не может быть слишком долгим, иначе на экране будет сохраняться «след» от предыдущего изображения. Человеческий глаз устроен так, что картинка воспринимается неподвижной (без эффекта мелькания) в том случае, если частота повтора не ниже 16 Гц. Чем чаще, тем лучше. В современных телевизорах частота – 25 кадров в секунду (50 полукадров). В лучших телевизорах каждый кадр повторяется дважды, но находится на экране в течение вдвойне меньшего времени. Такой телевизор обеспечивает частоту 50 Гц (называется 100-герцовым, т. к. за одну секунду показывается 100 полукадров). Хорошие мониторы позволяют регенерировать экран 120–150 раз в секунду (современные мониторы работают с частотой регенерации не менее 70 Гц), а на экран выводится весь кадр.

Другой вариант мониторов – жидкокристаллические (ЖК) постепенно вытесняют ЭЛТ: они позволяют получить существенно иные потребительские качества. ЖК панели работают в отраженном свете или на просвет: после того, как жидкий кристалл, представляющий собой пиксел, становится прозрачным (или непрозрачным), он остается таким, пока не будет подана команда на смену его состояния. Потому для ЖК-мониторов нет необходимости увеличивать частоту регенерации. Важна только скорость смены (обновления) картинки на экране, чтобы все пикселы за минимальное время, порядка 0,01 секунды, приняли необходимое состояние. Вторая особенность ЖК – потенциальная возможность существенного уменьшения размера жидкого кристалла. В течение 90-х годов развитие техники и технологии ЭЛТ позволило уменьшить размер пиксела менее чем на 30 %: с 0,31 до 0,2 мм. Дальнейшие перспективы также не обещают их заметного уменьшения. Иное дело – интегральные технологии, применяемые при производстве ЖК-панелей. В 1999 году IBM объявила о начале производства ЖК-мониторов с пикселом размером 0,125 мм (200 пикселов на дюйм), т. е. практически в два раза меньше, чем у хороших ЭЛТ. И это не предел – размер точки может быть еще уменьшен. Фирма IBM начала выпускать монитор, основанный на технологии Roentgen, который сама IBM классифицирует как quad SXGA, имеет 5,2 млн. пикселов (2560x2048) и разрешение в 200 пикселов на дюйм. Такие параметры могут понадобиться, например, в медицине при исследовании оцифрованных рентгеновских снимков – отсюда и название монитора. Вслед за IBM и другие компании начали выпускать новые мониторы. Так, Toshiba анонсировала выпуск первого 10,4-дюймового дисплея, поддерживающего разрешение до 1600x1200. Размер пиксела составляет 0,132 мм, а плотность – 192 точки на дюйм. В матрице используется кристаллический кремний, что повышает скорость прохода электронов через транзисторы, и, как результат, повышаются яркость и четкость изображения. Новые мониторы не позволяют с расстояния 20 см увидеть отдельные точки на экране – картинка воспринимается как цельная – человеческий глаз не фиксирует отдельный пиксел. Отличие изображения на новом мониторе от стандартного ЭЛТ такое же, как отличие документов, напечатанных на лазерном и на матричном принтерах.

Можно считать, что и здесь достигается органолептический предел, и дальнейшее улучшение качества изображения не будет фиксироваться человеком.

* * *

Что и как может сообщить компьютер – понятно. Теперь надо донести до него информацию. И тут придется ответить на следующий вопрос.

Как общаться с компьютером?

Наряду с ручным вводом данных в компьютер (с помощью клавиатуры и мыши), в настоящее время используются и другие методы: с помощью сканеров, дигитайзеров и т. д. Уже сегодня эти способы ввода влияют не только на производство (существенно упрощая и сокращая время ввода), но и на развлечения (например, обработка фотографий переходит на качественно иной уровень). И искусство также не осталось в стороне – так анимационные фильмы теперь можно снимать не только быстрее, но и с новыми художественными возможностями – не зря же Норштейн не применяет технические новации – это меняет сам фильм.

Современные средства ввода все больше ориентируются непосредственно на человека – компьютер должен понимать человеческий голос и воспринимать сказанное, узнавать образ человека и соответственно на него реагировать. То есть необходимо решить вопрос о вводе в компьютер звуковой и видеоинформации. Такие средства уже созданы и применяются в различных сферах использования компьютеров. Современные программы «понимают» значения нескольких тысяч слов, что позволяет вводить в компьютеры, на которых эти программы установлены, различные команды. Такие компьютеры работают, в частности, на самолетах. При занятых руках пилота такая организация ввода становится актуальной и эффективной. Для этих работ используются не самые мощные компьютеры. Более сложную задачу решают программы, позволяющие вести осмысленный диалог с человеком. Некоторые американские компании, продающие авиабилеты, используют компьютеры для приема заказов. Человек звонит в агентство, и программа выясняет у него, куда ему надо лететь, в какое время, какой класс и т. д. В соответствии с полученным запросом подготавливается предложение. Здесь главная задача – не распознавание слов, а адекватное понимание смысла, ибо одна и та же мысль может быть выражена различными словами. Таким образом, задача ввода звуковой информации практически решена на современных компьютерах.

Видеоинформация имеет значительно больший объем, чем звуковая. Но проблема ее ввода также решается не на самых мощных компьютерах. Выпускается много видеокамер, специально предназначенных для оперативного ввода видеоизображения в компьютер. Современные цифровые камеры позволяют передавать через стандартный порт данные в компьютер с качеством телевизионного сигнала. А программы обработки, в том числе и оцифровки, видеоданных работают уже давно и на существенно более слабых (чем большинство современных) компьютерах. Появившиеся в начале 2000 года видеопроцессоры вместе с процессорами, работающими на частоте от 600 МГц, обеспечивают даже кодирование видеоинформации в формате MPEG-2 в реальном времени.

* * *

Можно сказать, что мощность современных компьютеров вполне достаточна для ввода как звуковой, так и видеоинформации. Теперь мы знаем, что производительность современного компьютера позволяет решать многие задачи. Но не все. И потому необходимо выяснить

Что можно ожидать от компьютера дальше?

Конечно, для получения видеоизображения «неулучшаемого» качества требуется наличие не только соответствующих свойств монитора, но и возможность вывода на экран высококачественного изображения, которое сегодня ассоциируется с фотореалистическим качеством: героями игр должны стать реальные люди, ведущие себя реалистично («как в кино»). Для обеспечения фотореалистичного изображения необходимы значительные вычислительные мощности как центрального, так и видеопроцессора. В настоящее время проводится наращивание мощностей обоих устройств: увеличивается частота работы процессоров и в них встраиваются дополнительные функции.

В 1999 году произошло очередное продвижение: сразу несколько фирм выпустили видеопроцессор со встроенным геометрическим сопроцессором, что значительно повысило производительность компьютера. Так, видеопроцессор GeForce 256 компании NVIDIA Corporation, состоящий из 23 млн. транзисторов, позволяет прорисовать 15 млн. полигонов и сформировать 480 млн. пикселов в секунду. Производительность видеопроцессоров увеличилась столь значительно, что это стало предметом некоторого косвенного конфликта между производителями центральных и графических процессоров. В конце 1999 года фирмы Intel и AMD провели тестирование компьютеров со своими новыми высокопроизводительными процессорами. По окончании этих тестов обе фирмы сообщили, что оптимальными (для работы с «быстрыми» процессорами) являются видеокарты, выполненные на видеопроцессорах предыдущего поколения. Причина конфликта понятна – новые геометрические процессоры обеспечивают столь высокую производительность, что требования к центральному процессору снижаются. А как утверждают специалисты по маркетингу, «продаются мегагерцы» и потребность в них снижается.

* * *

Уже сегодня имеется некоторый избыток производительности персональных компьютеров, который, конечно, будет исчерпан при переходе на фотореалистичное изображение. Но, очевидно, что уже в ближайшее время новый уровень производительности процессоров позволит справиться и с такими потребностями. После этого дальнейшее увеличение мощности компьютеров становится трудно обоснованным. И потому необходимо ответить на принципиальный вопрос

Что перспективно?

Перспективу, связанную с существенным снижением роста потребностей в персональных компьютерах, хорошо понимают многие фирмы, оказавшие влияние на становление компьютерной техники. У всех еще свежа в памяти история Digital Equipment Coip. (DEC). Эта фирма оказала, наверное, самое большое влияние на становление рынка малых компьютеров. Здесь были созданы: один из самых производительных процессоров, несколько операционных систем, во многом определивших их развитие, множество других интересных решений. Компания имела разветвленную инженерную и сервисную сеть по всему миру – более трех тысяч сертифицированных инженеров. Но недостаточный учет специфики современного рынка привел к тому, что более молодая, динамичная компания Compaq поглотила «патриарха» компьютерного бизнеса. Но были ведь еще Control Data Corp. (CDC – многопроцессорные быстродействующие компьютеры, определившие развитие этого направления), Boroughs (интересная внутренняя структура созданных компьютеров, расширивших представление об элементах компьютера и его структуре в целом), Cray (высокопроизводительные компьютеры, на несколько лет определившие вектор развития суперкомпьютеров). Кроме того, на рынке мощных компьютеров активно работали компании Univac, Honeywell и др. Все эти фирмы или поглощены или уже перестали заниматься компьютерами. Причина такого положения – неправильная оценка рынка компьютеров. Следует отметить, что многопрофильные фирмы, такие как IBM или HP, сохранили свое место и продолжают успешно работать.

Естественно, перспектива потерять свое место на рынке никого не привлекает. Многие фирмы как относительно маленькие, так и лидеры, ищут адекватный ответ на изменяющуюся ситуацию в технике и технологии. Начинается переход на новые рынки. Причем не переход на производство родственных продуктов, а существенное изменение профиля работы компании. И основной вектор изменений – поиск новых точек приложения сил, отход непосредственно от компьютеров.