Понятие и виды ЭВМ с «не-фон-неймановской»

Архитектурой

Не-фон-неймановская архитектура (non von Neumannarchitecture) - любой способ организации ЭВМ, принципиально отличающийся от классической фон-неймановской архитектуры.

Предлагаемые варианты не-фон-неймановской архитектуры включают: организацию ЭВМ либо без счетчика команд и с непоследовательным выполнением команд, либо без памяти с многократной записью (например, dataflow machine, reduction machine).

Машина, управляемая потоком данных (dataflow machine). Организация ЭВМ, при которой выполнение каждой операции инициируется наличием её операндов; заранее последовательность выполнения команд не задается. При управлении потоком данных в качестве операндов команды указываются не адреса ячеек памяти, а команды, результаты которых являются операндами данной команды.

Такая организация ЭВМ соответствует языкам функционального программирования.

Редукционная машина (reduction machine). Организация ЭВМ, при которой программа представляет собой набор правил подстановки и выражение, подвыражения которого заменяются (редуцируются) в соответствии с правилами. Правила и подвыражения могут обрабатываться с произвольной степенью параллелизма.

Такая организация соответствует языкам логического программирования.

SIMD-architecture - архитектура (параллельной) ЭВМ с одним потоком команд и несколькими потоками данных (например, array processor).

Векторный процессор, матричный процессор (array processor). ЭВМ или спецпроцессор, обеспечивающие параллельное выполнение операций над массивами чисел: векторами или матрицами. Обычно состоит из набора арифметических процессоров, выполняющих одинаковые операции над различными элементами массива, с общим устройством управления.

MIMD-architecture - архитектура (параллельной) ЭВМ с несколькими потоками команд и несколькими потоками данных. Организация вычислительной системы с несколькими однородными или разнородными процессорами, каждый из которых выполняет свои команды над своими данными.

Машина соединений – ее конфигурация внутренних связей динамически перестраивается согласно программе. На одноразрядных микропроцессорах уже в 1983 г. была создана ЭВМ, где согласованно работали 65000 процессорных элементов, а позже уже проектировалась система на 1 млн. элементов.

На транспьютерах (вариант новой микропроцессорной архитектуры) и других приборах подобного класса в чрезвычайно сжатые сроки были созданы системы, в которых соответственно задачам микропроцессоры объединялись самыми различными способами: «вычислительная поверхность», «гиперкуб», «обобщенный гиперкуб», «дерево», «кольцо» и т. д.

На базе этого подхода теперь стало возможным создание супермини и супер микро ЭВМ, которые отличаются высокими параметрами быстродействия, но не выходят за параметры своего класса по габаритам, энергопотреблению и другим.

Даже из данных кратких представлений видно (сейчас в мире ведутся разработки более 100 архитектур не-фон-неймановского типа), что развитие ЭВМ не останавливается, постоянно ищутся пути создания машин с более качественно новыми характеристиками, во многих случаях фантастическими для современного развития.

К числу таковых относятся, например, некоторые публикации о работах над ЭВМ, вероятно, 6-го поколения - компьютеров, построенных на живых клетках - биологических или биокомпьютерах.

Но пока большинство этих публикаций носит лишь отрывочный характер, в связи со строгой секретностью работ, результаты которых могут, к сожалению, быть использованы в военных и иных подобных целях.

Другим, не менее фантастическим, направлением являются работы в области суперминиатюризации или технологии в нанометрической шкале - нанотехнологии(уровень 10 в минус девятой степени метра).

Началом эры нанотехнологий считается 1981 год, когда ученые швейцарского отделения IBM сконструировали туннельный микроскоп, который может «видеть» атомы. Вскоре стало ясно, что с помощью такого микроскопа можно перемещать атомы с места на место, то есть, по сути, строить материю. Возникла идея создания молекулярного ассемблера, молекулярной машины, способной собирать другие молекулярные машины.

Подобная машина имеет принципиальную возможность собирать из атомов и молекул не только неорганическую материю, но и живые организмы, в том числе человека, беря на себя функцию Творца. Один из первых молекулярных ассемблеров был создан в американской компании Xerox Corporation.

Применение нанотехнологий создает небывалые возможности во многих областях. Самые сенсационные результаты могут быть получены в медицине. Возможно создание устройств размером в один квадратный сантиметр. Внедренное в поверхностные ткани человека, такое устройство самостоятельно произведет анализ крови, определит, какие лекарства необходимо назначить именно этому больному, и впрыснет их в кровь.

Новая технология сулит создание врачей-роботов, которые постоянно будут находиться в организме человека, устраняя повреждения, бесконечное количество раз регенерируя отмирающие клетки и тем самым, приостанавливая процесс старения. Вечная мечта человека о бессмертии может стать реальностью. По крайней мере, станут излечимыми многие смертельные болезни, в том числе и онкологические. Можно создать и хирургический скальпель размером в несколько атомов, который в организме «доползет» до больного органа и сделает нужную операцию без травмирования тканей.

А, например, для технологии хранения и обработки информации нанотехнология может привести к следующему.

Минимальные размеры современных коммерческих интегральных схем составляют около одного микрона; если бы эти размеры можно было бы уменьшить до десяти нанометров притом, что все остальное сохраняется без изменения, результатом было бы 10 в четвертой степени разовое увеличение плотности записи информации. Если бы это уменьшение сопровождалось десятикратным увеличением размера, результатом было бы возникновение вычислительных машин во столько же раз превосходящих современные вычислительные устройства, во сколько раз водородная бомба мощнее традиционных взрывчатых веществ.

В соответствие с исторической экстраполяцией можно ожидать, что на это может понадобиться около пятидесяти лет.

Эта все «вверх дном» переворачивающая концепция миниатюризации, по мнению наиболее активных сторонников нанотехнологии, существенно ускоряет выполнение программы, рассчитанной на длительный срок. В течение пятидесяти лет, а вероятно, и меньше, они рассчитывают разработать «молекулярную» технологию, основанную как на самосборочных технологических макромолекулярных узлах, так и на контролируемой сборке макро или даже микро молекулярных узлов с помощью того или иного устройства с нанометрической точностью.

Таким устройством в первом поколении может быть сканирующий микроскоп, самосборочный нанометрический позиционный инструмент, какие-либо сочетания того и другого, а также любая «биологически подобная» система, использующая канальный диффузионный перенос. В результате, возможно, появится трехмерная технология, где минимальные размеры изображения будут измеряться не в нанометрах, а размерами атомов (уже сейчас нанотехнологии используются при изготовлении видеодисков – DVD). Такие структуры будут, по меньшей мере, в триллионы раз плотнее по сравнению с сегодняшними коммерческими элементами.

В области кибернетики нанотехнологии обеспечат создание быстродействующих, долговременных белковых блоков памяти емкостью в триллионы байт. Рабочими частотами компьютеров станут терагерцовые. Наночипы будут иметь емкость памяти в несколько гигабайт. Это даст возможность создать компьютер, хранящий в памяти все достижения человечества, который поместиться в кармане.

Но, несмотря на прогресс, у данного направления уже сейчас много противников (например, среди служителей Церкви), пытающихся закрыть подобные исследования, так же как и клонирование.

ТЕМА 1. Введение в дисциплину. Государственная политика в информационной сфере. Информационные технологии (основные понятия)