Основу технического обеспечения информационных технологий составляют компьютеры
.
ЭВМ классической (фоннеймановской) архитектуры состоит из пяти основных функциональных блоков (рис. 8.4):
• запоминающего устройства (ЗУ);
• устройства управления;
• устройств управления и арифметически-логического устройства, рассматриваемых вместе и называемых центральным процессором;
• устройства ввода;
• устройства вывода.
Ограничения пропускной способности канала и возможностей обработки в центральном процессоре приводят к тупиковой ситуации при нечисловой обработке в случае увеличения объемов информации. Для выхода из тупика было предложено два основных изменения в архитектуре ЭВМ:
• использование параллельных процессоров и организация параллельной обработки;
• распределенная логика, приближающая процессор к данным и устраняющая их постоянную передачу.
Другой недостаток фоннеймановской архитектуры связан с организацией процесса обращения к ЗУ, осуществляемого путем указания адреса для выборки требуемого объекта из памяти. Для преодоления ограничений организации памяти были предложены ассоциативные запоминающие устройства.
|
|
Таким образом, ЭВМ для нечисловой обработки к архитектуре предъявляются следующие требования:
• перестраиваемость параллельных процессоров и запоминающих устройств;
• сложные топологии соединений между процессорами;
• мультипроцессорная организация, направленная на распределение функций.
Классификация архитектур ЭВМ:
• архитектура с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных (SISD);
• архитектура с одиночным потоком команд и множественным потоком данных (SIMD);
• архитектура с множественным потоком команд и одиночным потоком данных (MISD);
• архитектура с множественным потоком команд и множественным потоком данных (MIMD).
К классу SISD относятся современные фоннеймановские однопроцессорные системы.
К классу SIMD относят большой класс архитектур, основная структура которых состоит из одного контроллера, управляющего комплексом одинаковых процессоров.
К классу MISD может быть отнесена единственная архитектура—конвейер, но при условии, что каждый этап выполнения запроса является отдельной командой (если это условие не выполнить, то ЭВМ, которые соответствуют MISD-архитектуре, не существует.).
К классу MIMD,хотя и не всегда однозначно, относят следующие конфигурации:
• мультипроцессорные системы;
• системы с мультиобработкой;
• вычислительные системыиз многих машин;
• вычислительные сети.
Можно выделить две разновидности MIMD-архитектуры: сильносвязанные и слабосвязанные системы. Сильносвязанная архитектура реализуется, например, в многопроцессорных серверах. Слабосвязанную архитектуру можно проиллюстрировать на примере кластерных систем.
|
|
Другим направлением развития вычислительной техники является нейрокомпьютеринг, основанный на нейронных сетях.
Нейрокомпьютинг - это научное направление, занимающееся разработкой вычислительных систем шестого поколения - нейрокомпьютеров, которые состоят из большого числа параллельно работающих простых вычислительных элементов (нейронов). Элементы связаны между собой, образуя нейронную сеть. Они выполняют единообразные вычислительные действия и не требуют внешнего управления. Большое число параллельно работающих вычислительных элементов обеспечивают высокое быстродействие.
Отличия нейрокомпьютеров от вычислительных устройств предыдущих поколений:
· параллельная работа очень большого числа простых вычислительных устройств обеспечивает огромное быстродействие;
· нейронная сеть способна к обучению, которое осуществляется путем настройки параметров сети;
· высокая помехо- и отказоустойчивость нейронных сетей;
· простое строение отдельных нейронов позволяет использовать новые физические принципы обработки информации для аппаратных реализаций нейронных сетей.
Разработки в области нейрокомпьютинга ведутся по следующим направлениям:
· разработка нейроалгоритмов;
· создание специализированного программного обеспечения для моделирования нейронных сетей;
· разработка специализированных процессорных плат для имитации нейросетей;
· электронные реализации нейронных сетей;
· оптоэлектронные реализации нейронных сетей.
Нейронные сети могут быть реализованы двумя путями: первый - это программная модель НС, второй - аппаратная.
В последние годы ведутся работы по созданию биокомпьютера на основе молекулярных технологий. Идея молекулярного вычислителя состоит в представлении «машинного» слова в виде состояний молекул.
Первый компьютер на базе ДНК был создан еще в 1994 г. американскими учеными. Они смешали в пробирке молекулу ДНК, в которой были закодированы исходные данные, и специальным образом подобранные ферменты. В результате химической реакции структура ДНК изменилась таким образом, что в ней в закодированном виде был представлен ответ задачи. Основными проблемами таких машин являются ненадежность, ориентированность на узкий круг задач и большая сложность считывания информации.
Квантовые вычисления, привлекающие внимание ученых во многих странах мира, должны использовать свойства вещества в масштабе миллиардных долей метра. Впервые о возможности использования ядерных спинов в квантовых компьютерах сообщила группа немецких ученых.
В современных компьютерах бит информации хранится в виде нулей и единиц в транзисторах на поверхности кристалла кремния. Квантовый компьютер, который пока еще только создается усилиями многих исследователей, будет способен хранить информацию в виде т.н. кубитов (qubit), при этом и сами носители информации несравненно меньше нынешних транзисторов, и скорость обработки данных в них будет значительно выше.
Трем битам информации в обычных компьютерах соответствует восемь различных сочетаний нулей и единиц, но в элементарной ячейке хранится только одно сочетание. В нынешних ПК одновременно идет обработка 64 битов. В квантовых же компьютерах кубит может быть равен 0 и 1 одновременно. Все три кубита можно вычислять одновременно. Это значит, что трехбитный квантовый компьютер может работать в восемь раз быстрее полупроводникового. А квантовый компьютер с 64 кубитами будет работать в 2 в 64 степени раз быстрее.