Архитектура и элементарная база компьютеров 5 поколения

 

Этот термин должен был  подчеркнуть, что Япония планирует  совершить новый качественный скачок в развитии вычислительной техники. Первым поколением считались ламповые компьютеры, вторым — транзисторные, третьим — компьютеры на интегральных схемах, а четвёртым — с использованием микропроцессоров. В то время как  предыдущие поколения совершенствовались за счёт увеличения количества элементов  на единицу площади (миниатюризации), компьютеры пятого поколения должны были для достижения сверхпроизводительности  интегрировать огромное количество процессоров.

Задачи исследования

Главные направления исследований были следующими:

• Технологии логических заключений (inference) для обработки знаний.
• Технологии для работы со сверхбольшими базами данных и базами знаний.
• Рабочие станции с высокой производительностью.
• Компьютерные технологии с распределёнными функциями.
• Суперкомпьютеры для научных вычислений.

Речь шла о компьютере с параллельными процессорами, работающим с данными, хранящимися в обширной базе данных, а не в файловой системе. При этом, доступ к данным должен был осуществляться с помощью языка логического программирования. Предполагалось, что прототип машины будет обладать производительностью между 100 млн и 1 млрд LIPS, где LIPS — это логическое заключение в секунду. К тому времени типовые рабочие станции были способны на производительность около 100 тысяч LIPS.

Ход разработок представлялся  так, что компьютерный интеллект, набирая  мощность, начинает изменять сам себя, и целью было создать такую  компьютерную среду, которая сама начнёт производить следующую, причём принципы, на которых будет построен окончательный  компьютер, были заранее неизвестны, эти принципы предстояло выработать в процессе эксплуатации начальных  компьютеров.

Далее, для резкого увеличения производительности, предлагалось постепенно заменять программные решения аппаратными, поэтому не делалось резкого разделения между задачами для программной  и аппаратной базы.

Ожидалось добиться существенного  прорыва в области решения  прикладных задач искусственного интеллекта. В частности, должны были быть решены следующие задачи:

печатная машинка, работающая под диктовку, которая сразу устранила  бы проблему ввода иероглифического текста, которая в то время стояла в Японии очень остро

автоматический портативный  переводчик с языка на язык (разумеется, непосредственно с голоса), который  сразу бы устранил языковый барьер японских предпринимателей на международной  арене

автоматическое реферирование  статей, поиск смысла и категоризация

другие задачи распознавания  образов — поиск характерных  признаков, дешифровка, анализ дефектов и т. п.

От суперкомпьютеров ожидалось  эффективное решение задач  массивного моделирования, в первую очередь в аэро- и гидродинамике.

Эту программу предполагалось реализовать за 10 лет, три года для  начальных исследований и разработок, четыре года для построения отдельных  подсистем, и последние четыре года для завершения всей прототипной системы. В 1982 правительство Японии решило дополнительно поддержать проект, и основало Институт компьютерной технологии нового поколения (ICOT), объединив для этого инвестиции различных японских компьютерных фирм.

Международный резонанс

Вера в будущее параллельных вычислений была в то время настолько  глубокой, что проект «компьютеров пятого поколения» был принят в компьютерном мире очень серьёзно. После того, как Япония в 1970-е годы заняла передовые  позиции в бытовой электронике, и в 1980-е стала выходить в лидеры в автомобильной промышленности, японцы приобрели репутацию непобедимых. Проекты в области параллельной обработки данных тут же начали разрабатывать в США — в Корпорации по микроэлектронике и компьютерной технологии (MCC), в Великобритании — в фирме Олви (Alvey), и в Европе в рамках Европейской стратегической программы исследований в области информационных технологий (ESPRIT).

Параллельный  суперкомпьютер МАРС в СССР

В СССР также начались исследования параллельных архитектур программирования, для этого в 1985 году было создано  ВНТК СТАРТ, которому за три года удалось  создать процессор «Кронос» и прототипный мультипроцессорный компьютер МАРС.

В отличие от японцев, задача интеграции огромного числа процессоров  и реализация распределённых баз  знаний на базе языков типа Пролог не ставилась, речь шла об архитектуре, поддерживающей язык высокого уровня типа Модула-2 и  параллельные вычисления. Поэтому проект нельзя назвать пятым поколением в японской терминологии.

В 1988 проект был успешно  завершён, но не был востребован  и не получил продолжения по причине  перестройки и невыгодной для  отечественной компьютерной индустрии  рыночной ситуации. «Успех» заключался в частичной реализации прототипной архитектуры (в основном, аппаратных средств), однако подобный японскому «большой скачок» в области программирования, баз данных и искусственного интеллекта в рамках этого проекта даже не планировался.

Трудности реализации

Последующие десять лет проект «компьютеров пятого поколения» стал испытывать ряд трудностей разного  типа.

Первая проблема заключалась  в том, что язык Пролог, выбранный  за основу проекта, не поддерживал параллельных вычислений, и пришлось разрабатывать  собственный язык, способный работать в мультипроцессорной среде. Это  оказалось трудным — было предложено несколько языков, каждый из которых  обладал собственными ограничениями.

Другая проблема возникла с производительностью процессоров. Оказалось, что технологии 80-х годов  быстро перескочили те барьеры, которые  перед началом проекта считались  «очевидными» и непреодолимыми. А  запараллеливание многих процессоров  не вызывало ожидаемого резкого скачка производительности. Получилось так, что  рабочие станции, созданные в  рамках проекта, успешно достигли и  даже превзошли требуемые мощности, но к этому времени появились  коммерческие компьютеры, которые были ещё мощнее.

Помимо этого, проект «Компьютеры  пятого поколения» оказался ошибочным  с точки зрения технологии производства программного обеспечения. Ещё до начала разработки этого проекта фирма  Xerox разработала экспериментальный графический интерфейс (GUI). А позднее появился Интернет, и возникла новая концепция распределения и хранения данных, при этом поисковые машины привели к новому качеству хранения и доступа разнородной информации. Надежды на развитие логического программирования, питаемые в проекте «Компьютеры пятого поколения» оказались иллюзорными, преимущественно по причине ограниченности ресурсов и ненадёжности технологий.

Идея саморазвития системы, по которой система сама должна менять свои внутренние правила и параметры, оказалась непродуктивной — система, переходя через определённую точку, скатывалась в состояние потери надёжности и утраты цельности, резко  «глупела» и становилась неадекватной.

Идея широкомасштабной замены программных средств аппаратными  оказалась в корне неверной, в  дальнейшем развитие компьютерной индустрии  пошло по противоположному пути, совершенствуя  программные средства при более  простых, но стандартных аппаратных. Проект был ограничен категориями  мышления 1970-х годов и не смог провести чёткого разграничения  функций программной и аппаратной части компьютеров.

Оценка проекта

С любых точек зрения проект можно считать абсолютным провалом. За десять лет на разработки было истрачено  более 50 млрд $, и программа завершилась, не достигнув цели. Рабочие станции так и не вышли на рынок, потому что однопроцессорные системы других фирм превосходили их по параметрам, программные системы так и не заработали, появление Интернета сделало все идеи проекта безнадёжно устаревшими.

Неудачи проекта объясняются  сочетанием целого ряда объективных и субъективных факторов:

• ошибочная оценка тенденций развития компьютеров — перспективы развития аппаратных средств были катастрофически недооценены, а перспективы искусственного интеллекта были волюнтаристски переоценены, многие из планируемых задач искусственного интеллекта так и не нашли эффективного коммерческого решения до сих пор, в то время как мощность компьютеров несоизмеримо выросла;
• ошибочная стратегия, связанная с разделением задач, решаемых программно и аппаратно, проявившееся в стремлении к постепенной замене программных средств аппаратными, что привело к излишнему усложнению аппаратных средств;
• отсутствие опыта и глубинного понимания специфики задач искусственного интеллекта с надеждой на то, что авось увеличение производительности и неведомые базовые принципы системы приведут к её самоорганизации;
• трудности, выявившиеся по мере исследования реального ускорения, которое получает система логического программирования при запараллеливании процессоров. Проблема состоит в том, что в многопроцессорной системе резко увеличиваются затраты на коммуникацию между отдельными процессорами, которые практически нивелируют выгоду от параллелизации операций, отчего с какого-то момента добавление новых процессоров почти не улучшает производительности системы;
• ошибочный выбор языков типа Лисп и Пролог для создания базы знаний и манипулирования данными. В 1980-е годы эти системы программирования пользовались популярностью для САПР и экспертных систем, однако эксплуатация показала, что приложения оказываются малонадёжными и плохо отлаживаемыми по сравнению с системами, разработанными обычными технологиями, отчего от этих идей пришлось отказаться. Кроме того, трудность вызвала реализация «параллельного Пролога», которая так и не была успешно решена;
• низкий общий уровень технологии программирования того времени и диалоговых средств (что ярко выявилось в 1990-е годы);
• чрезмерная рекламная кампания проекта «национального престижа» в сочетании с волюнтаризмом и некомпетентностью высших должностных лиц, не позволяющая адекватно оценивать состояние проекта в процессе его реализации.

Архитектура ПК

1. Основная компоновка частей компьютера и связь между ними

При описании архитектуры  компьютера определяется состав входящих в него компонент, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.

Практически все универсальные  ЭВМ отражают классическую неймановскую архитектуру, представленную на схеме. Эта схема во многом характерна как  для микро ЭВМ, так и для мини ЭВМ и ЭВМ общего назначения.

Рассмотрим устройства подробнее.

Основная часть системной  платы - микропроцессор (МП) или CPU (Central Processing Unit), он управляет работой всех узлов ПК и программой, описывающей алгоритм решаемой задачи. МП имеет сложную структуру в виде электронных логических схем. В качестве его компонент можно выделить:

A). АЛУ - арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными и адресами памяти;

Б). Регистры или микропроцессорная  память - сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора, АЛУ работает именно с ними;

B). УУ - устройство управления - управление работой всех узлов МП посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от кварцевого тактового генератора, который при включении ПК начинает вибрировать с постоянной частотой (100 МГц, 200-400 МГц). Эти колебания и задают темп работы всей системной платы;

Г). СПр - система прерываний - специальный регистр, описывающий состояние МП, позволяющий прерывать работу МП в любой момент времени для немедленной обработки некоторого поступившего запроса, или постановки его в очередь; после обработки запроса СПр обеспечивает восстановление прерванного процесса;

Д). Устройство управления общей  шиной - интерфейсная система.

Для расширения возможностей ПК и повышения функциональных характеристик  микропроцессора дополнительно  может поставляться математический сопроцессор, служащий для расширения набора команд МП. Например, математический сопроцессор IBM-совместимых ПК расширяет возможности МП для вычислений с плавающей точкой; сопроцессор в локальных сетях (LAN-процессор) расширяет функции МП в локальных сетях.

Характеристики процессора: быстродействие (производительность, тактовая частота) - количество операций, выполняемых в секунду.

Разрядность - максимальное количество разрядов двоичного числа, над которыми одновременно может выполняться машинная операция.

2. Понятие архитектуры ЭВМ. Принципы фон Неймана

Архитектурой ПК называется его описание на некотором общем  уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования систем команд систем адресации организации памяти. Архитектура определяет принцип действия, информационные связи взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора; оперативного ЗУ, Внешних ЗУ и периферийных устройств.

Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в 1946 году и известны как принципы фон Неймана".

Они таковы:

Использование двоичной системы  представления данных

Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для  технической реализации, удобство и  простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. ЭВМ стали  обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Принцип хранимой программы  Нейман первым догадался, что программа  может также храниться в виде нулей и единиц, причем в той  же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы  между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать  для себя программу в соответствии с результатами вычислений. Устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) в современных компьютерах  объединены в один блок - процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних  устройств.

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров "многоярусно" и включает оперативное  запоминающее устройство (ОЗУ) и внешние  запоминающие устройства (ВЗУ).

ОЗУ - это устройство, хранящее ту информацию, с которой компьютер  работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть  необходимых для нее данных, некоторые  управляющие программы).

ВЗУ - устройства гораздо  большей емкости, чем ОЗУ, но существенно  более медленны.

Принцип последовательного  выполнения операций:

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени  доступна любая ячейка. Отсюда следует  возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным  в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы  с использованием присвоенных имен.

Принцип произвольного доступа  к ячейкам оперативной памяти Программы и данные хранятся в  одной и той же памяти. Поэтому  ЭВМ не различает, что хранится в  данной ячейке памяти - число, текст  или команда. Над командами можно  выполнять такие же действия, как  и над данными.

BIOS - базовая система ввода-вывода, хранящаяся в ПЗУ и предназначенная для выполнения базовых аппаратных функций с учетом особенностей аппаратной части конкретной ПЭВМ. Этим обеспечивается независимость операционной системы и прикладных программ от особенностей ПЭВМ, на которой они функционируют.