Повышение производительности компьютера

Как измерить производительность компьютера? И как можно ее повысить? Это некоторые из вопросов данного раздела.

Закон Мура

Транзистор – электронный переключатель, который может быть в состояниях "включено" и "выключено", представляя собой один бит информации. Современные микросхемы содержат миллионы транзисторов столь малых размеров, что их нельзя увидеть невооруженным взглядом. Гордон Mур, один из основателей Intel обнаружил в 1965 году, что вместимость микросхемы (число транзисторов, содержащихся на кремниевой пластине) удваивается каждый год. Эта тенденция известная как Закон Мура (Moore's Law) продолжается и сейчас. Темп роста несколько замедлился, ­так что вместимость чипа сейчас удваивается каждые 12-18 месяцев, а не каждый год. Закон Мура, пример экспоненциального роста, в основном ссылается на вместимость микросхем, и закон можно сформулировать так: число транзисторов, которые могут быть размещены на микросхеме, будет удваиваться каждые 12-18 месяцев, пока не будут достигнуты физические ограничения.

Чтобы проиллюстрировать экспоненциальный рост, рассмотрим притчу про изобретателя шахмат и императора. Император хотел вознаградить изобретателя всем, чем он захочет за создание игры. Изобретатель высказал довольно простую просьбу. Он попросил положить одно зерно риса на первый квадрат шахматной доски, два зерна на второй, четыре на третий и так далее, то есть так, чтобы каждый следующий квадрат удваивал бы количество зерен риса предыдущего квадрата. Император немедленно согласился с его желанием. Но как показывают расчеты он никогда не смог бы выполнить желание изобретателя. Мы знаем, что на шахматной доске 64 квадрата. На 32-й квадрат приходилось бы 4 биллиона зерен, что по равноценно одному большому полю риса. Следующему полю соответствовали бы около 2-х миллионов зерен риса, следующему – около 4 миллионов, следующему – около 8 миллионов, и так далее. Для 64-го нужно было бы 9*10¹⁸ зерен риса, больше чем количество риса, которое можно вырастить, даже если бы удалось использовать всю поверхность Земли.

Примерно также число транзисторов в микросхеме растет в экспоненциальной форме, удваиваясь каждые 12-18 месяцев. График внизу показывает экспоненциальный рост числа транзисторов.

График 1. Закон Мура применительно к процессорам Intel

Внизу показан логарифмический график для прогнозирования экспоненциального роста числа транзисторов на микросхеме.

Последние данные смотрите на press kit from Intel

Исходя из экспоненциального роста плотности транзисторов на микросхемах, аналитики могут предсказывать другие события в компьютерной промышленности. Расширяя пределы Закона Мура, можно сделать следующие предположения:

1. Скорость обработки удваивается каждые 12-18 месяцев.
2. Объем оперативной памяти удваивается каждые 12-18 месяцев.

Другие наблюдения – это то, что объем жестких дисков также увеличивается экспоненциально, и цена деталей компьютеров для потребителей с течением времени падает.

Истинность закона Мура подтверждается тем, что электрические схемы становятся все меньше. Схемы, которые требовали сотни квадратных микрон кремния (микрон является миллионной частью метра), сейчас размещаются только в нескольких квадратных микронах. Эта тенденция позволяет разместить все большее количество элементов в той же области. Процессоры, чипы памяти и специальные чипы для управления внешними устройствами – все становится более компактным. Хотя Закон Mура предсказывает только увеличение плотности схем, это увеличение в плотности сокращает время коммуникации между компонентами, что, в свою очередь, означает, что чипы могут обработать данные быстрее.

Усовершенствования в технологии микросхем согласованы с усовершенствованиями других технологий в компьютерных системах. Возрастает вместимость дисков для различного использования. Усовершенствования магнитных носителей (покрытия окиси железа на поверхности диска, более плоских дисков и т.п.) и электронных устройств чтения-записи увеличивают вместимость жестких дисков. Введение новых оптических технологий дисков – другой способ увеличения емкости запоминающих устройств компьютеров. Соответствующие увеличения скорости процессора и пропускной способности шин дают возможность увеличивать объем памяти компьютера.

В дополнение к росту скорости обработки и объемов памяти, стоимость обработки и хранения байта данных уменьшается также вследствие устаревания чипов низкоемкостной памяти. Например, 256 Mb RAM стоили несколько лет назад столько же, сколько сейчас стоят 2Gb оперативной памяти.

Интересный критерий увеличения объема и производительности известен как Закон данных Паркинсона, который говорит о том, что данные расширяются, чтобы заполнить все свободное место. Другими словами, чем больше появляется памяти или дискового пространства, тем больше становятся запросы на память или дисковое пространство. Например, когда компьютеры имели только несколько килобайт (Кb) памяти, их простые операционные системы соответствовали столь же маленьким 4 Кб. Сегодняшние микрокомпьютеры обычно имеют память 1Gb или более, и, как и предсказывал Закон Паркинсона, сегодняшние операционные системы более совершенны и требуют гигабайты памяти. С увеличением вместимости дисков, люди начинают использовать их по-новому. Первые компьютеры с 360 Кb гибкими дисками большей частью запоминали небольшие текстовые файлы. Сегодня, когда компьютеры обычно поставляются с жесткими дисками объемами в сотни гигабайт, люди сохраняют музыкальные записи, видеоклипы (каждый длиной в несколько мегабайтов), и даже собрания полнометражных фильмов на DVD (обычно около 5 гигабайтов) или жестких дисках.

Закон Паркинсона – «двигатель» компьютерной промышленности, поскольку мы знаем, что приложения всегда будут идти в ногу с Законом Мура. Наряду с увеличением емкости, пользователи хотели бы большей производительности для решения более амбициозных задач. Благодаря Закону Мура можно предположить постоянные технологические усовершенствования для удовлетворения потребительского спроса на большую производительность при доступных ценах. (Однако заметьте, что Закон Мура не охватывает все аспекты компьютерных технологий. Он ничего не говорит об увеличениях надежности систем или о качестве программного обеспечения, используемого в компьютерных системах).

Между тем законы физики свидетельствуют, что без фундаментальных изменений в технологии чипа, есть пределы увеличения производительности. Например, дорожки в схемах должны быть достаточно широкими для циркулирования электронов. Другое ограничение – длина волны света. Свет использовался для вытравливания схемы на кристалле кремния, и ширина вытравленных проводников непосредственно связана с длиной волны света – чем короче длина волны, тем уже проводник. Ультрафиолетовые лучи имеют более короткую длину волны, чем видимый свет, и рентгеновские Х-лучи еще короче. Однако есть технические проблемы в использовании коротких длин волн. Что произойдет, когда будет достигнут предел? Мы не знаем, но опыт свидетельствует, что прогресс может продолжиться в новых направлениях. В какой-то момент, стоимость ультра-плотных чипов может ограничить их широкое использование и они будут использоваться только в наиболее дорогих суперкомпьютерах.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: