Основы информационных технологий для неспециалистов: что происходит внутри машин

На рис. 1.5 показана печатная плата для настольного ПК конца 1990-х годов. Такие компоненты, как процессор и память, смонтированы на плате (или вставлены в нее) и соединены проводами, проложенными на другой стороне. На рис. 1.6 показана часть оборотной стороны той же печатной платы, где параллельно идущие печатные провода – это шины разного типа.

Рис. 1.6. Шины на печатной плате

Электронные схемы в компьютерах формируются из нескольких базовых элементов, представленных в большом количестве. Наиболее важный из них – логический вентиль, который вычисляет одно выходное значение на основе одного или двух входных. Он использует входные сигналы (напряжение или силу тока) для управления выходным сигналом аналогичного вида. При наличии достаточного количества таких вентилей, соединенных правильным образом, возможно производить вычисления любого типа. Чарльз Петцольд в своей книге «Код»

удачно знакомит нас с этим процессом, а на многочисленных веб-сайтах представлены графические анимации, которые показывают, как логические схемы выполняют арифметические и другие вычисления.

Основным элементом схемы служит транзистор — устройство, изобретенное в Лабораториях Белла[12 - Лаборатории Белла (Bell Labs) – финско-американская корпорация, крупный исследовательский центр в области телекоммуникаций, электронных и компьютерных систем. Штаб-квартира расположена в штате Нью-Джерси (США).] в 1947 году учеными Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли, которые в 1956 году получили за это Нобелевскую премию по физике. В компьютере транзистор играет роль переключателя, который может включать и выключать ток под воздействием напряжения. На таком простом основании можно построить сколь угодно сложные системы.

Логические вентили раньше собирались из дискретных компонентов: вакуумных (электронно-лучевых) трубок размером с электрическую лампочку в ENIAC и отдельных транзисторов величиной примерно с карандашный ластик в компьютере 1960-х годов. На рис. 1.7 показаны копия первого транзистора (слева), вакуумная трубка и процессор в корпусе. Сама схема находится в центре и занимает площадь около 1 кв. см, а электронно-лучевая трубка имеет длину около 4 дюймов (10 см). Современный процессор такого размера содержал бы в себе несколько миллиардов транзисторов.

Логические вентили создаются на интегральных схемах, или ИС, которые часто называют микросхемами или микрочипами.

Интегральная схема содержит все компоненты и проводку электронной схемы на одной плоской поверхности (тонкий лист полупроводника), которая создается путем сложной последовательности оптических и химических процессов. В итоге получается схема без дискретных элементов и проводов обычного вида. Такие ИС намного компактнее и надежнее, чем схемы с дискретными компонентами. Микросхемы массово изготавливаются на круглых кристаллических пластинах (платах) диаметром 12 дюймов (30 см): из них затем нарезаются отдельные микросхемы, каждую из которых помещают в свой корпус. Обычная микросхема (рис. 1.7, внизу справа) монтируется в больший по размеру корпус с 10-100 штырьками, соединяющими ее с остальной системой. На рис. 1.8 показана интегральная схема в корпусе, где сам процессор находится в центре, и его площадь составляет около 1 кв. см.

Рис. 1.7. Вакуумная трубка, первый транзистор, микросхема процессора в корпусе

Рис. 1.8. Чип интегральной схемы

Из-за того, что интегральные схемы основаны на кремнии, регион в Калифорнии к югу от Сан-Франциско, где впервые возник бизнес по производству этих схем, стали называть Кремниевой долиной. Сейчас так условно называют все высокотехнологичные предприятия в этом регионе, а это название стало вдохновляющим для десятка подражателей, таких как Кремниевая аллея (Silicon Alley) в Нью-Йорке и Кремниевый торфяник (Silicon Fen) в Кембридже, Англия.

ИС изобрели примерно в 1958 году, причем открытие независимо друг от друга сделали Роберт Нойс и Джек Килби. Нойс умер в 1990 году, но Килби за свой вклад получил в 2000 году Нобелевскую премию по физике. Хотя интегральные схемы занимают центральное место в цифровых устройствах, другие технологии здесь также используются: магнитное запоминающее устройство для дисков, лазеры для CD и DVD и оптическое волокно для сетей. За последние 50–60 лет все они радикально изменились в размерах, производительности и стоимости.

1.3. Закон Мура

В 1965 году Гордон Мур, который затем станет соучредителем компании Intel и будет работать там генеральным директором на протяжении многих лет, опубликовал короткую статью под названием «Втиснуть больше компонентов в интегральные схемы»

. Экстраполируя очень ограниченное количество данных, Мур заметил, что с усовершенствованием технологий количество транзисторов, которые удавалось встроить в интегральные схемы заданного размера, удваивалось примерно каждый год. Затем, пересмотрев расчеты, он изменил этот показатель на «каждые два года», а другие исследователи говорили о 18 месяцах. Поскольку вычислительную мощность можно грубо определять по количеству транзисторов, то она тоже удваивалась каждые два года, если не быстрее. За 20 лет должно было произойти 10 удвоений, и количество устройств увеличилось бы в 2

, то есть примерно в 1000 раз. За 40 лет – в миллион раз или больше.

Такой экспоненциальный рост, ныне известный как закон Мура, продолжается уже почти 60 лет, и поэтому в интегральные схемы сейчас встраивают в миллион раз больше транзисторов, чем в 1965 году. График действия закона Мура, особенно для микросхем процессора, показывает рост количества транзисторов от пары тысяч для ЦПУ Intel 8008 в начале 1970-х годов до миллиарда в ЦПУ недорогих потребительских ноутбуков нашего времени.

Наилучшим образом масштабы схемы характеризует какое-либо отдельное число, обозначающее размер того или иного элемента интегральной схемы – например, ширину провода или активной части транзистора. Этот показатель неуклонно сокращается на протяжении многих лет. В первой (и единственной) интегральной схеме, которую я однажды разрабатывал в 1980 году, величина элементов равнялась 3,5 микрона (3,5 микрометра). В 2021 году для многих ИС минимальный размер элементов составлял 7 нанометров, или 7 миллиардных долей метра, а следующим шагом будет 5 нанометров. «Милли» – это одна тысячная доля, или 10

; «микро» – одна миллионная, или 10

; «нано» – одна миллиардная, или 10

, а нанометр сокращенно обозначается как нм. Для сравнения: толщина листа бумаги или человеческого волоса составляет 100 микрометров, или 1/10 миллиметра.

Если ширина элементов в интегральной схеме уменьшится в 1000 раз, то количество компонентов на единицу площади увеличится в квадратной зависимости, т. е. в миллион раз. Соответственно, там, где по старому производственному процессу размещали тысячу транзисторов, теперь хватит места для миллиарда.

Разработка и изготовление интегральных схем – чрезвычайно сложный и высококонкурентный бизнес. Кроме того, производственные операции («сборочные линии») весьма дороги: новый завод может стоить миллиарды долларов. Компания, которая не успевает за финансовым и технологическим развитием, будет уступать своим соперникам на рынке, а страна, у которой нет таких ресурсов, попадет в технологическую зависимость от других государств, что потенциально может стать серьезной проблемой стратегического уровня.

Закон Мура – это не закон природы, а руководящий принцип, который применяли в индустрии полупроводников для постановки целей. В какой-то момент он перестанет действовать. В прошлом часто предсказывали, что предел миниатюризации достигнут, но до сих пор находятся способы его преодолеть. Однако мы уже приближаемся к тому, что в отдельных схемах будет находиться лишь несколько атомов, а этого слишком мало, чтобы управлять ими.

Скорость процессоров возрастает не особенно – и уж точно больше не удваивается каждые два года, – отчасти потому, что быстрые микросхемы выделяют слишком много тепла. Но объем памяти по-прежнему увеличивается. Так или иначе, процессоры могут использовать больше транзисторов, если поместить два или более ядер ЦПУ на одной микросхеме. Кроме того, в системах зачастую применяются несколько процессорных ИС. Происходит рост количества ядер, а не скорости их работы.

Интересно будет сравнить современный персональный компьютер и первый ПК от IBM, который выпустили 1981 году. Процессор того ПК работал с тактовой частотой 4,77 МГц, то есть почти в 500 раз меньше, чем у процессорного ядра 2,2 ГГц, к тому же у такого ЦПУ обычно два или четыре ядра. Компьютер от IBM располагал 64 килобайтами оперативной памяти, а у современных компьютеров ее в 125 000 раз больше – 8 Гб. («Кило» – это одна тысяча, поэтому сокращение для килобайта – Кб.) Объем памяти гибких дисков для первого ПК составлял не более 750 Кб, а жесткого диска он не имел, тогда как в современных ноутбуках внешней памяти уже почти в миллион раз больше. Первый ПК мог выводить на свой 11-дюймовый монитор только 24 ряда по 80 зеленых символов на черном фоне, а большую часть этой книги я написал, сидя перед 24-дюймовым экраном с 16 миллионами цветов. Компьютер с 64 Кб памяти и одним гибким диском объемом 160 Кб стоил 3000 долларов в 1981 году, что сейчас с учетом инфляции эквивалентно 10 000 долларов, а ноутбук с процессором 2 ГГц, 8 Гб оперативной памяти и SSD-диском на 256 Гб сегодня продается за пару сотен.

1.4. Краткие выводы

Компьютерное оборудование, то есть все виды цифрового аппаратного обеспечения, экспоненциально совершенствуется на протяжении 60 лет, начиная с изобретения интегральных схем. Термин «экспоненциально» часто понимают и употребляют неверно, но в данном случае он точно отражает ситуацию: за каждый фиксированный период времени схемы становились компактнее, дешевле или производительнее на определенный процент. Простейший пример – закон Мура: примерно каждые 18 месяцев количество элементов, помещавшихся на интегральную схему заданного размера, почти удваивается. Этот огромный рост возможностей послужил основой цифровой революции, которая так сильно изменила нашу жизнь.

Скачок возможностей и производительности также изменил наши представления о том, что такое информатика и компьютеры. Первые вычислительные машины рассматривались как сверхбыстрые арифмометры, пригодные для решения задач баллистики, проектирования оружия и других научных и инженерных расчетов. Потом они пригодились в обработке данных для бизнеса: они составляли платежные ведомости, формировали счета и так далее. Когда цена накопителей уменьшилась, ЭВМ начали управлять базами данных, где хранилась информация для подготовки тех самых ведомостей и счетов. С появлением ПК компьютеры стали настолько дешевыми, что их смог позволить себе каждый, и тогда они стали использоваться для обработки персональных данных, ведения расчетов по домашним финансам и операций с текстами (например, для написания писем). Вскоре после этого их начали применять в развлекательных целях вроде воспроизведения музыки с компакт-дисков, но в особенности для игр. А когда возник интернет, наши компьютеры заодно превратились и в устройства для общения, на которых работают электронная почта, Всемирная паутина и социальные сети.