май    2024

Пн	Вт	Ср	Чт	Пт	Сб	Вс
		1	2	3	4	5
6	7	8	9	10	11	12
13	14	15	16	17	18	19
20	21	22	23	24	25	26
27	28	29	30	31

показать все 

27.04.2024

RAMAX Group рассказала на Smart Mining & Metals об особенностях пилотирования ML-проектов

Читать далее 

22.04.2024

Сообщество цифровых управленцев «я-ИТ-ы» проводит ЗАКРЫТУЮ встречу в рамках выставки «Связь-2024»!

Читать далее 

18.04.2024

Ассоциация разработчиков «Отечественный софт» отметила 15-летие

Читать далее 

17.04.2024

РДТЕХ представил Технологическую карту российского ПО 2023

Читать далее 

показать все 

18.04.2024

5 способов повысить безопасность электронной подписи

Читать далее 

18.04.2024

Как искусственный интеллект изменит экономику

Читать далее 

18.04.2024

Неочевидный САПР: выход ПО за рамки конструкторской деятельности

Читать далее 

18.04.2024

Скоро некому будет делать сайты и заниматься версткой

Читать далее 

18.04.2024

Цифровая трансформация в энергетике: как запустить проект с максимальным финансовым эффектом?

Читать далее 

05.04.2024

Мотивируй, не то проиграешь!

Читать далее 

22.03.2024

В 2024 году в России и мире вырастут объемы применения AR/VR 

Читать далее 

25.02.2024

Цифровые технологии: надежды и риски

Читать далее 

05.02.2024

Будут ли востребованы услуги технической поддержки софта Oracle в России в ближайшие годы?  

Читать далее 

31.01.2024

Здания с признаками интеллекта. Как Сергей Провалихин автоматизирует дома и производства

Читать далее 

показать все 

Главная / Архив номеров / 2013 / Выпуск №8 (31) / Armand: принстонская и гарвардская архитектуры

Рубрика: Управление проектами

Александр Тетюшев, к.т.н., доцент кафедры АВТ, Вологодского государственного технического университета (ВоГТУ)

Armand: принстонская и гарвардская архитектуры

В 30-х годах прошлого века военное ведомство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать электромеханическую вычислительную систему для военно-морской артиллерии. Результатом усилий этих университетов стали две концепции построения вычислительных систем, которые определили развитие мировой вычислительной техники почти на 100 лет вперед. Мы знаем их как гарвардская и принстонская (более известная как фон-неймановская) архитектуры

Их основное отличие заключалось в том, что архитектура фон Неймана использовала единую память (общую шину данных), а гарвардская предполагала наличие нескольких шин (в оригинале две: шина данных и шина команд).

Преимущества машины фон Неймана оценили сразу, поскольку в ней содержалось значительно меньше проводников между арифметико-логическим устройством (АЛУ) и областью памяти, и на долгие годы она стала эталоном для создания ВС. Именно фон-неймановская архитектура с подачи Джона Кока являлась прародителем процессоров RISC (Reduced Instruction Set Computer – вычисления с сокращенным набором команд).

Время шло, и в 70-х годах прошлого века появились полупроводники, в которых можно было создавать сотни микроскопических проводников. Проблема множества контактов была снята, и наступила эра гарвардской архитектуры. Действительно, если процессор имеет несколько шин, он может одновременно выполнить несколько действий. В этом случае за один такт гарвардский процессор может выполнить несколько операций, существенно опередив попроизводительности аналогичный фон-неймановский процессор. Чтобы это понять, достаточно посмотреть на схемы двух архитектур.

Рисунок 1. Вычислительные архитектуры

Появление процессоров на гарвардской архитектуре мировое сообщество восприняло прохладно, поскольку в начале 70-х годов не было программного обеспечения, способного реализовать его потенциал. Их за глаза называли процессорами «для бедных», поскольку они не могли работать на больших частотах.

Но все изменилось после появления персонального компьютера Apple I, в основе которого был восьмиразрядный процессор MOS 6502 на гарвардской архитектуре с операционной системой Apple DOS.

Простота ОС компенсировалась достаточно сложным процессором, названным впоследствии CISC (Complex Instruction Set Computer – вычисления с комплексным набором команд), с отдельной 16-разрядной адресной шиной ивозможностью произвольного манипулирования регистрами. Монолитная однопользовательская ОС позволила выжать из него небывалую по тем временам производительность при решении отдельных задачах.

Через несколько лет корпорация IBM бросилась догонять Apple, практически повторив ее идею. В основе созданного ею персонального компьютера (более известного нам как IBM-PC) были гарвардский процессор фирмы Intel и ОС Microsoft DOS. Впоследствии такие комплексы получили общеизвестную аббревиатуру – Wintel.

Естественно, что за скорость CISC-процессора приходилось платить удвоенным/утроенным количеством контактов, что не только перегревало процессор, но и накладывало ограничения на его размеры. В среднем на каждые 20% прироста производительности потребляемая мощность гарвардского процессора увеличивалась до 50%.

Выходом из этой ситуации стало появление многоядерных процессоров, в которых частота работы каждого вычислительного ядра была понижена, но суммарная производительность превышала даже показатели разогнанного одноядерного. Для наглядности на рис. 2 показан пример того, как меняются производительность и энергопотребление центрального процессора при изменении частот и количества ядер.

Рисунок 2. Преимущество многоядерных систем

ARM

Массовый переход на многоядерные вычислительные системы ознаменовался тем, что эра классического программирования закончилась. Многопоточные вычисления потребовали изменения алгоритмов программирования, иклассические, построенные на блок-схемах, алгоритмы практически перестали работать. Образовался серьезный разрыв между возможностями вычислительной техники и возможностями вычислительной математики. Закон Амдала только усугубил проблему, поскольку согласно ему создать полностью распараллеленный вычислительный алгоритм невозможно. Алгоритмов без определенной доли последовательных операций просто не существует.

Практически это означает, что для каждой задачи есть предельное количество вычислительных ядер, превышение которого не приведет к увеличению скорости вычисления. Следствием закона Амдала является утверждение, что при любом типе вычислений одно из вычислительных ядер процессора всегда загружено больше остальных. Опираясь на эти выводы, можно было предположить, что будут созданы многоядерные системы, содержащие различные типы вычислительных ядер.

Архитектура ARM – Advanced RISC Machine (в оригинале – Acorn RISC Machine), усовершенствованная RISC-машина – была построена на базе фон-неймановской архитектуры, но включала особенности процессоров CISC, что логично, поскольку в его основе лежал MOS 6502. В частности, машина ARM предполагала чрезвычайно простую реализацию вычислительного ядра, управляемого через контролируемый ввод. Именно технология, разработанная консорциумом ARM, позволила собрать на одном кристалле несколько различных вычислительных ядер, каждое из которых могло выполнять определенные функции.

Такая сборка получила название Soc (System on chip), поскольку к общей шине данных подключались не только вычислительные ядра процессора, но и видеоадаптер и контроллер памяти.

Всевозможные сочетания вычислительных ядер в Soc позволяли получать широкий спектр устройств, каждое из которых могло обладать своими уникальными особенностями. На базе Soc легко формировались телефоны, планшеты, телевизоры, плееры, видеокамеры и т.д. Но, чтобы реализовать эти возможности, требовалась специальная программная среда, легко модифицируемая под ту или иную сборку Soc.

Первой такой средой стала операционная система компании Apple – iPhone OS (впоследствии – Apple iOS), построенная на базе ядра Darwin (урезанного ядра BSD). Небольшое монолитное ядро, настроенное под конкретную Soc, как и вслучае с Apple DOS, позволяло получить максимальную отдачу от оборудования, а простота реализации вычислительных ядер обеспечивала существенную экономию энергопотребления.

А потом все заново повторилось, как 30 лет назад. Корпорация Google (современная IBM) решила обыграть идею Apple. Надо сказать, что в отличие от Apple, которая сама формировала оборудование, Google сразу замахнулась на широкий спектр возможных комбинаций Soc. И здесь тоже появилась своя «Microsoft» – Android inc, которая предложила операционную систему, архитектурно повторяющую Apple iOS, но позволяющую работать на нескольких типах Soc (см. рис. 3).

Рисунок 3. Операционные системы Android и iOS

Корневым отличием ОС Android OS от Apple iOS стало ядро, построенное на базе урезанного модульного ядра Linux. Подгружаемые по требованию модули позволяют переносить Android OS на широкий спектр оборудования, не пересобирая его каждый раз под новое устройство. Безусловно, при такой архитектуре Android имеет не только положительные, но и отрицательные характеристики.

Операционная система Android OS медленнее Apple iOS при вводе-выводе, потребность в оперативной памяти у нее выше, а также она менее эффективно работает с Soc. Но, сделав ставку на закон Мура, как в свое время это поступила корпорация IBM, Google выиграла, поскольку технические средства фирм – лицензиатов ARM развиваются быстрее аналогичных устройств Apple, а спектр возможных комбинаций Soc существенно шире возможностей Apple.

Сегодня мало у кого вызывает сомнение, что связка ARM и Android пришла надолго, сформировав новое направление, условно названное мной Armand (ARM + Android). Именно это сочетание мы скорее всего встретим сначала в бытовых приборах, а потом в медицине.

Безусловно, эра Wintel не закончилась и не закончится в ближайшее время, поскольку это основной мировой вычислительный инструмент. Стоимость вычислений на базе Wintel самая низкая в мире. И это несмотря на большую стоимость программных продуктов, разрабатываемых для этой платформы.

Но и Armand ждет не менее блестящее будущее. Эта платформа может стать основным инструментом в медицине. Последние сборки Soc, построенные на совмещении мощных и энергоэкономичных вычислительных ядер, позволяют предполагать появление устройств, существенно облегчающих жизнь больных людей.

***

Такие устройства будут экономичны в режиме ожидания и высокоэффективны в режиме активной работы. Управление экзоскелетами пожилых людей, браслеты с лекарством для диабетиков, речевые импланты – вот те немногие направления, в которых участие Armand очевидно.

В начало⇑

Комментарии отсутствуют

Комментарии могут отставлять только зарегистрированные пользователи