Прототип того, что может стать персональным компьютером следующего поколения, был разработан исследователями Инженерной школы А. Джеймса Кларка при Университете Мэриленда. Эта технология, обеспечивающая вычислительную скорость в 100 раз выше, чем у современных настольных компьютеров, основана на параллельной обработке данных на одном чипе.
Параллельная обработка - это подход, который позволяет компьютеру выполнять множество различных задач одновременно, что резко контрастирует с последовательным подходом, используемым обычными настольными компьютерами. В прототипе, разработанном Узи Вишкиным и его коллегами из школы Кларка, используется печатная плата размером с номерной знак, на которой они установили 64 параллельных процессора. Чтобы управлять этими процессорами, они разработали важнейшую параллельную компьютерную организацию, которая позволяет процессорам работать вместе и делает программирование практичным и простым для разработчиков программного обеспечения.
«Прототип однокристального суперкомпьютера, созданный группой профессора Узи Вишкина, использует богатую алгоритмическую теорию для решения практической проблемы создания легко программируемого многоядерного компьютера», - сказал Чарльз Э. Лейзерсон, профессор компьютерных наук. и инжиниринг в Массачусетском технологическом институте. «Фишка Вишкина объединяет вчерашнюю теорию с сегодняшней реальностью».
Параллельная обработка рабочего стола
Параллельная обработка в больших масштабах с использованием многочисленных взаимосвязанных микросхем или компьютеров уже много лет используется для создания суперкомпьютеров. Однако его применение в настольных системах было проблемой из-за серьезной сложности программирования. Команда школы Кларка нашла способ изменить это с помощью технологии однокристальной параллельной обработки.
Вишкин, профессор факультета электротехники и вычислительной техники Школы Кларка и Института перспективных компьютерных исследований (UMIACS) Университета Мэриленда, объяснил преимущество параллельной обработки следующим образом: «Предположим, вы нанимаете одного человека для очистки вашего дома, и человеку требуется пять часов или 300 минут, чтобы выполнить каждое задание, одно за другим», - сказал Вишкин. «Это аналогично текущему методу последовательной обработки. А теперь представьте, что у вас есть 100 уборщиков, которые могут одновременно работать в вашем доме! Это метод параллельной обработки.
«Проблема программного обеспечения заключается в следующем: можете ли вы управлять всеми различными задачами и работниками так, чтобы задание выполнялось за 3 минуты вместо 300?» Вишкин продолжил. «Наши алгоритмы впервые делают это возможным для вычислительных задач общего назначения».
Вишкин и его команда сейчас демонстрируют правительству и промышленным группам свою технологию, которая в будущих устройствах может включать 1000 процессоров на чипе размером с ноготь. Чтобы показать, насколько легко программировать, Вишкин также предоставляет доступ к прототипу ученикам средней школы Монтгомери Блэр в округе Монтгомери, штат Мэриленд.
От теории к реальности
В течение многих лет индустрия персональных компьютеров достигла прогресса в тактовой частоте компьютера, основной скорости, с которой компьютер выполняет операции, благодаря инновациям в технологиях изготовления микросхем и миниатюризации. Закон Мура, гласящий, что количество транзисторов в интегральных схемах компьютеров будет удваиваться каждые 18-24 месяца, сочетался с соответствующим повышением тактовой частоты.
Но с 2004 года не было достигнуто никакого прогресса в тактовой частоте. С самого начала Вишкин предвидел, что закон Мура в конечном итоге не поможет улучшить тактовую частоту из-за физических ограничений. Это привело его к настойчивости на протяжении всей его профессиональной карьеры в стремлении повысить производительность компьютера за счет распределения нагрузки между несколькими процессорами и параллельного выполнения компьютерных задач.
В 1979 году Вишкин, пионер параллельных вычислений, начал свою работу по разработке теории параллельных алгоритмов, основанной на математической модели параллельного компьютера, поскольку в то время не существовало жизнеспособного параллельного прототипа. К 1997 году достижения в области технологий позволили ему приступить к созданию прототипа настольного устройства для проверки своей теории; он и его команда завершили устройство в декабре 2006 года.
Физические аппаратные характеристики прототипа устройства поразительно соответствуют обычным стандартным компьютерным компонентам, работающим на частоте 75 МГц. Именно параллельная архитектура устройства, простота программирования и производительность обработки по сравнению с другими компьютерами с такой же тактовой частотой привлекают внимание людей.
«Основываясь на очень положительной реакции моих аспирантов этой весной, - заявил Вишкин, - я понял, что пришло время сделать технологию публичной».
Ранее в этом месяце Вишкин и его кандидат наук. Студент Xingzhi Wen опубликовал статью о своей недавно созданной технологии параллельной обработки для симпозиума Ассоциации вычислительной техники (ACM) по параллелизму в алгоритмах и архитектурах и продемонстрировал ее на крупной компьютерной конференции ACM International Conference on Supercomputing (ICS).) в Сиэтле.
На мероприятии ICS Вишкин разрешил участникам конференции удаленно подключаться к устройству и запускать на нем программы в ходе однодневного учебного занятия, которое он провел, предложив коллегам и участникам-студентам возможность лично испытать прототип технологии.
Вишкин также принял участие в панельной дискуссии на специальном приглашенном семинаре Microsoft по многоядерным вычислениям 20-21 июня в Сиэтле, штат Вашингтон. В августе Вишкин выступит с основным докладом на семинаре по высокопараллельным вычислениям. Processing on a Chip в Ренне, Франция, в связи с 13-й Euro-Par, международной европейской конференцией по параллельным и распределенным вычислениям.
«Эта система представляет собой значительное улучшение универсальности и гибкости для параллельных компьютерных систем благодаря своим уникальным возможностям», - сказал Бертон Смит, технический сотрудник отдела передовых стратегий и политики в Microsoft. «Он сможет использовать более широкий спектр параллельных алгоритмов, чем современные микропроцессоры, и это, в свою очередь, поможет приблизить параллельные вычисления общего назначения к реальности.”
Вишкин подал несколько патентов на свою технологию параллельной обработки с 1997 года. Его исследования, финансируемые Национальным научным фондом и Министерством обороны, также вызвали значительный интерес со стороны компьютерной индустрии, которую, по его мнению, его технология оживит.
«За многие годы производители проделали отличную работу по увеличению тактовой частоты одного процессора с помощью умных стратегий миниатюризации и новых материалов», - отметил он. «Но теперь они достигли пределов этого подхода. Настало время практической альтернативы, которая вызовет новую волну инноваций и роста - и это то, что мы создали с помощью нашей технологии параллельных вычислений».
Помимо Синчжи Вэня, в исследовательские группы Вишкина входят студенты Айдин Балкан, Джордж Караджа, Майк Детвайлер, Том Дюбуа, Майк Хорак, Фуат Кечели, Мэри Киемб и Алекс Цаннес, а также профессора электротехники и вычислительной техники Раджив Баруа. и Ган Цюй.