8.2. Технические средства информационных технологий

Основу технического обеспечения информационных техноло­гий составляют компьютеры

.

Э ВМ 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 системы из 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;

  

  Рисунок 2. Искусственный нейрон

• э лектронные 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.