Основные закономерности развития компьютерных систем

2.2 Вещественно-энергетическая  и информационная целостность

   Целостность КС, как и любых технических систем, обусловлена  зависимостью протекающих в них вещественных, энергетических и информационных процессов преобразования (обработки),  хранения, обмена (передачи) и управления. В реальных технических системах процессы преобразования, хранения и обмена вещества, энергии и информации взаимосвязаны. Управление этими процессами осуществляется информационными потоками, материализуемыми вещественными и энергетическими носителями.

      Данная  закономерность удачно иллюстрируется, в частности,  единством и взаимосвязью энергетических и информационных процессов в элементах вакуумно-ламповой, полупроводниковой и интегральной технологий, осуществляющих обработку информации в аналоговой или цифровой форме. При выдаче информации и генерации управляющих воздействий формируются соответствующие информационные последовательности с целью дальнейшего преобразования в энергетические и вещественные воздействия на объект управления с отображением информации о ходе процесса (преобразование формы представления информации).

      В процессе обработки информации при  энергетическом воздействии осуществляется переключение логических запоминающих элементов процессора и памяти. Если, в свою очередь, рассматривать внутреннюю структуру логических и запоминающих элементов,  то нетрудно заметить, что различным информационным изменениям элементов соответствуют определенные изменения в структуре вещества, из которого сделаны эти элементы. В полупроводниковых элементах, например, осуществляется изменение проводимости p-n-перехода, неплохими примерами могут также послужить разнообразные носители информации: в магнитных наличию двоичного нуля/единицы соответствует определенное состояние некоторой области магнитного вещества, в оптических при записи данных происходит изменение оптических свойств поверхности диска. То же можно сказать и о передаче информации – в применяемых интерфейсах она осуществляется посредством распространения электромагнитных колебаний, то есть энергии.

2.3 Повышение  функциональной и структурной  целостности КС

      Эта закономерность выражается в функциональной и структурной интеграции отдельных подсистем и сокращении числа промежуточных уровней и видов преобразования вещества, энергии и информации в процессе функционирования КС.

      Функциональная  целостность рассматривается в ее отношении к внешнему окружению (среде) и обусловливается единством и взаимосвязью функций системы и ее подсистем, а структурная целостность системы рассматривается в отношении ее состава, фиксированной совокупности элементов и связей между ними. В процессе эволюции КС повышение ее целостности может выражаться в том, что сама система получает возможность перейти в подсистему более сложной системы. Прекрасной иллюстрацией этого положения служит микропроцессор, повторивший структуру машин предшествующих поколений и рассматриваемый в 70-х гг. на уровне системы, в дальнейшем превратившийся в элемент мощных суперкомпьютеров.

      Из  более близких нам примеров можно  отметить, скажем, дисковые контроллеры и периферийные контроллеры ввода-вывода, которые долгое время были отдельными устройствами, а теперь встраиваются прямо в чипсет, то есть являются частью системной платы. Вспомним также процессорный L2 кэш – сейчас он составляет с ядром CPU единое целое, хотя недавно выполнялся отдельным блоком, а несколько лет назад вообще устанавливался в специальный слот.

2.4 Наследование  основных функций развивающихся  систем

      В процессе развития систем определенного  класса сохраняется совокупность их основных (базовых) функций. Применительно к компьютерным системам можно утверждать: каждое новое компьютерное поколение сохраняет (воспроизводит) совокупность основных функций, реализуемых компьютерами предшествующего поколения. Какие это функции? PMTC – Processing (обработка),  Memory (хранение),  Transfer (передача), Control (управление). Все это сохраняется на протяжении всех поколений компьютерных систем. Наиболее интенсивным изменениям подвергаются сервисные функции. Эти изменения направлены на увеличение производительности и совершенствование интерфейса пользователя с системой.

      Действительно, ни один из существующих типов КС не выполняет каких-либо функций, кроме  вышеуказанных. Единственные изменения, которые происходят с появлением новой КС – это все лучшее выполнение этих функций: новый РС все быстрее  производит обработку данных, полученных с устройств ввода, новый сервер имеет все более емкую дисковую систему, больший объем памяти и производительный CPU, новый коммуникационный стандарт обеспечивает большую пропускную способность и надежность.

2.5 Адекватность  функционально-структурной организации назначению системы

      Эффективными  и жизнеспособными являются системы, структура которых максимально соответствует  реальным функциям. Два параллельно идущих  эволюционных процесса – эволюция функций и эволюция технологий – стимулируют направленное совершенствование функционально-структурной организации КС. Известно следующее утверждение: «В идеальном случае каждому реализуемому алгоритму соответствует определенная структура системы (устройства)». Например, архитектура игрового компьютера должна отличаться от архитектуры сервера: если в первом случае берется не слишком дорогой, но оптимизированный под определенный набор вычислений процессор, оптимальным образом синхронизированные с ним память, графический контроллер  и устройства ввода, причем все это, скорее всего, связывается одной-единственной общей шиной, то во втором, очевидно, потребуется многопроцессорная параллельная обработка, ориентированная на многозадачность, более широкий набор шин передачи данных. Однако очевидно, что бесконечное множество алгоритмов практически не может быть отображено на соответствующее множество реальных структур.

      Но  одни и те же функции могут быть воспроизведены универсальными и специализированными  средствами. Таким образом, при формировании структуры КС определенного функционального назначения необходимо разрешать противоречия между «универсальностью» и «специализацией» на всех уровнях организации системы. Применение универсальных элементов позволяет создавать КС с минимальной структурой (то есть с минимальным числом элементов), реализующих заданную совокупность функций (продолжая сравнение, на сервере тоже, в принципе, при желании можно поиграть в Unreal, но вряд ли это будет целесообразно, так как тех же целей можно будет добиться гораздо более простыми средствами).

2.6 Взаимосвязь  показателей качества компьютерных  систем

   Основные  показатели качества КС – характеристики производительности, энергетические характеристики, характеристики надежности и эффективности  систем, экономические показатели – взаимосвязаны и взаимозависимы. Улучшение одной группы показателей качества, например увеличение производительности,  ведет к ухудшению других – усложнению структуры, увеличению стоимости, снижению надежности и т. д.

      Приведем  примеры взаимосвязи и взаимозависимости показателей. В конце 40-х годов Г. Грош сформулировал эмпирический закон, согласно которому пропорциональность КС пропорциональна квадрату стоимости. Следовательно,  для того чтобы выполнить некоторую вычислительную работу в два раза дешевле, ее надо выполнить в четыре раза быстрее (К. Е. Найт экспериментально подтвердил справедливость этого закона для первых трех поколений компьютеров). Другой пример взаимозависимости общей производительности векторной супер-ЭВМ от двух режимов ее работы. Известно, что программы, которые могут быть векторизованы компилятором,  выполняются в векторном режиме с высокой скоростью, а программы, не содержащие векторного параллелизма (или которые компилятор не обнаруживает), выполняются с низкой скоростью в скалярном режиме. В 1967 г. Дж. Амдал вывел закон, согласно которому в такой системе низкоскоростной режим доминирует в общей производительности.

      И напоследок еще один более близкий  и современный нам пример. Не секрет, что процессоры Intel Pentium-4 первого поколения (под Socket-423) имеют высокое энергопотребление, большую теплоотдачу и довольно-таки внушительные размеры. Недавно в сети даже ходили шуточки насчет того, что если так пойдет и дальше, то в недалеком будущем компьютеры в обязательном порядке будут поставляться с портативной атомной электростанцией и радиатором водяного охлаждения в комплекте, а материнская плата будет свариваться из стального проката (в том смысле, что иначе она рассыплется от тяжести комплектующих). Конечно, не все так плохо, но определенный резон в этих замечаниях действительно присутствует. Поэтому Intel вскоре перевела процессор на более тонкий техпроцесс, в результате чего удалось сделать его очень маленьким (гораздо меньше,  чем  CPU предыдущих поколений), экономичным в плане потребления энергии и выделяющим мало тепла. Но с другой стороны, примерно до 10% повысилась стоимость изделия (и это несмотря на то, что площадь чипа, напрямую влияющая на стоимость, уменьшилась). И в чисто технологическом плане изменения не дались даром: новый процессор получился более требовательным к устойчивости параметров питания, так что пришлось оснастить его новым (Socket-478) интерфейсом, где дополнительные контакты обеспечивают нужную стабильность напряжения, подаваемого на процессор.

      Или, еще, сравним архитектуры все тех же CPU от AMD и от Intel. Про вторую мы только что упоминали, поэтому рассмотрим продукцию первой. Известно, что эту самую продукцию (CPU Athlon различных модификаций) отличает весьма небольшая по сравнению с Pentium стоимость при примерно равной производительности. Чем этого удалось добиться? Ответ: применением менее высоких (и поэтому более дешевых), чем у Intel, технологий изготовления чипов и усовершенствованием внутренней архитектуры процессора: изощренные алгоритмы кэширования, оптимизированный конвейер и проч. Примерно то же можно сказать и о DDR SDRAM. DDR (Double Data Rate) SDRAM по многим параметрам и способам изготовления мало чем отличается от обычной SDRAM: та же синхронизация шины памяти с системной шиной, практически то же производственное оборудование, энергопотребление, почти не отличающееся от SDRAM, площадь чипа больше лишь на несколько процентов. Изменения заключаются только в применении популярной в последнее время в компонентах PC технологии передачи данных одновременно по двум фронтам сигнала, когда за один такт передаются сразу два пакета данных. В случае с используемой 64-битной шиной это дает 16-байтный за такт. Или, в случае со 133 мегагерцами, уже не 1064, а 2128 Mb/s. Это позволило сразу без значительных материальных и временных издержек создать новую быстродействующую память, причем по цене, мало отличающейся от обычной SDRAM (кстати, DDR SDRAM еще иногда именуют SDRAM-II). То есть мы видим, что новая память при ближайшем рассмотрении есть усовершенствованная старая. В результате стоимость готовой системы процессор+память+системная плата от AMD ниже аналогичной от Intel раза чуть ли не в два, но, очевидно, ее структурная сложность существенно выше.

2.7 Относительное и временное разрешение противоречий в КС

      Противоречия, возникающие в КС в процессе их развития, разрешаются временно на определенных этапах существования  систем конкретного класса и в  дальнейшем проявляются в трансформированном виде на новом качественном уровне развития.  На различных жизненных циклах КС разработчикам приходиться решать «вечные» противоречия между функциональными возможностями и сложностью технической части системы, между объемом хранимой информации и быстродействием устройств памяти.

      В середине 60-х годов в связи  с появлением первых мини-компьютеров возникла проблема длины слова. Известно: чем больше длина слова, тем большее число команд должно быть у машины [процессора – здесь и далее прим. мои], тем эффективнее реализуется ее проблемная ориентация; чем больше длина слова, тем выше точность обработки данных. Однако стоимость машины растет пропорционально длине слова.  Эти противоречивые факторы служат классическим примером компромисса при проектировании, когда приходиться либо поступиться рабочими характеристиками, либо отказаться от экономии.

      Кстати, в настоящее время очень типичным примером целой совокупности подобного  рода компромиссов являются персональные компьютеры: в них используются куда более дешевые, но и более медленные, чем в крупных серверах и суперкомпьютерах, элементы. А вот пример временного противоречия. Начиная где-то с 486-х процессоров наметился постоянно возрастающий разрыв в скорости CPU и RAM. Нынешний год стал годом широкого освоения очередных новых типов локальной оперативной памяти – RDRAM (Rambus DRAM) и вышеупомянутой DDR SDRAM (в противовес SDRAM, Rambus использует узкую – 16 бит – шину и огромную по сравнению с ней частоту – 400 MHz, что, учитывая также применяемую технологию DDR дает аж 800 MHz). Причина в их появлении очевидна: при применении старой SDRAM процессор большую часть времени будет простаивать из-за неполучения данных (падение производительности в среднем 40%-50% при использовании CPU с частотой 1.5-2.0 GHz). Противоречие разрешить удалось, но также ясно, что пройдет еще немного времени, и придется снова говорить о необходимости повышения быстродействия подсистемы памяти.

      Итак, процесс развития компьютерных систем – это разрешение противоречий, с учетом спектра проблем и перечня противоречий, подлежащих разрешению.

2.8 Аппаратные и программные решения

      Как известно, многие задачи можно решить двумя принципиально разными путями – аппаратным и программным. (Естественно, в конечном счете все вычисления реализуются программно (причем, что интересно, с другой точки зрения можно сказать, что полностью аппаратно, поэтому это не суть важно), но так называемый «программный» метод базируется на использовании ресурсов центрального процессора и основной памяти КС, в то время как «аппаратный» предполагает наличие другого специализированного элемента (ов)). Преимущество первого заключается, как правило, в хорошем быстродействии и независимости от мощности основных элементов компьютера, однако он недостаточно гибок и довольно дорог, а программные решения, наоборот, недороги, универсальны и легко модернизируются, но требуют наличия мощного компьютера.

      Вообще, глядя на историю развития КС, можно  отметить интересный факт: с совершенствованием технологий многие аппаратные решения  заменяются на их программные эмуляторы. Примеров можно привести довольно много. Например, в первых ЭВМ аппаратно реализовался алгоритмический язык программирования, вскоре эта функция стала программной. Или обратимся к так называемой  «оконной» технологии. Первым коммерческим «оконным» продуктом был Xerox 8010 (в 1981 году печально известный под именем Star). Затем появились Apple LISA (1983 год) и Macintosh (1984 год). Вслед за этим произошла принципиальная перемена. Следующим продуктом, реализующим «оконную» технологию, стал Topview фирмы IBM (1984), за ним последовали Windows от Microsoft (1985) и позднее – X Windows System (1987) для UNIX. Эти продукты уже представляли программные реализации системы, которые обеспечивали доступность «оконной» технологии на обычных машинах, не оснащенных специальной аппаратурой. Список примеров можно продолжить (скажем, аналогичным путем развивались текстовые редакторы).