Мур ће још дуго поживети

ИНТЕРВЈУ
Како добити више за мање (признајте да прво нисте помислили на на чипове)? Минулих година у потрагу за одговор упустио се врхунски међународни зналац рачунарског устројства Милош Ерцеговац (66), инострани члан САНУ и професор на цењеном Калифорнијском универзитету у Лос Анђелесу.

Наш саговорник је дипломирао 1965. на Електротехничком факултету у Београду, докторирао 1975. на Универзитету Илиноис, а једно време се бавио истраживањима у Институту „Михајло Пупин”. У мноштву удружења и установа у која је учлањен, издвајају се, вероватно, два најуваженија на свету – IEEE (Институт електро и електронских инжењера) и ACM (Удружење рачунарског машинства).

Какву поруку и (поуку) носи крилатица „Извући више из мање”?

– Дуго смо сведоци непрестаног и брзог развоја VLSI технологије (веома велика густина паковања),што је годинама омогућавало све брже и сложеније рачунаре (микропроцесори?). Међутим, даљи напредак приступа „све брже и више” дошао је до озбиљних препрека узрокованих првенствено веома повећаним расипањем (дисипација) снаге и нагомилавањем термичке енергије на чипу, што је, упркос увођењу поступака за надгледање температуре, довело до физичких и економских граница у развоју. Све бржи чипови захтевају сложено и скупо осмишљавање и производњу. На срећу, смањивање транзистора и осталих компоненти и даље усавршавање елементарних електронских кола не престају, омогућујући нове путеве у архитектури микропроцесора. Другим речима, тзв. Муров закон – да се број транзистора по јединици површине приближно удвостручава сваке две године – наставља да важи. Пошто спорији имају мање тескоћа с диспацијом снаге, решење је правити чипове с више споријих компоненти, користећи масивни паралелизам у компонентама, да се постигну боље одлике. У том смислу, ми добијамо (или очекујемо) више од једноставнијих и споријих микропроцесора којих све више можемо да интегришемо на чипу.

Докле нас је довео славни поход удвостручења микропроцесорске снаге (и брзине)? Када наилази непремостива препрека?

– Муров закон већ деценијама дефинише пораст броја транзистора на чипу смањивањем димензија основних компоненти. Када се транзистор смањи до величине атома, тај процес ће, свакако, бити завршен – цени се да ће до тога доћи за 10-15 година. Међутим, постоје интензивна истраживања нових технологија (разне нано и несилицијумске) и очекује се да ће то донети применљиве резултате у следећих 15-20 година.

А шта долази после – нуде се неколики технолошки исходи и излази: од усавршевања постојећег до увођења сасвим новог?

– Преовлађујућа технологија интегрисаних кола (CMOS) ће и даље напредовати захваљујући унапређењима у материјалима, производњи чипова и техникама пројектовања. Како се компоненте смањују, нове архитектуре су потребне да покрију смањену поузданост. Масивна репликација компоненти је највероватнији приступ. Такве архитектуре изгледају погодне за наноцевчице и спинтронику код које се логички сигнали „0” и „1” представљају смером обртања (ротација) електрона.

Има ли убрзавање такта своје коначно ограничење? Колико највише задатака (инструкција) ће моћи да обави силицијумски чип?

– Остварење веома брзог такта је тешко и скупо. Чипови с бржим тактом користе више енергије ииспуштају више топлоте. Расподела бржих тактова захтева релативно велику површину на шипу, што је бескорисно за рад микропроцесора. Комбинација тих чинилаца води ка новом стилу архитектура, заснованих на споријим и једноставнијим микропорцесорима који се могу правити у великом броју на чипу. Штавише, такав приступ с много микропроцесора на чипу омогућава брже комуникације између микропроцесора што поједностављује, иначе тешко, паралелно програмирање. Врхунске одлике остају важан циљ – једино се приступ мења. Уместо традиционалног суперкомпјутера, веомасложеног и изузетно скупог, данашњи приступ јесте да се користи масивни паралелизам у хардверу који дефинише данас популарну архитектуру – звану микропроцесори с више језгара (МВЈ). Непосредан циљ јесте да се достигне петафлопс (10¹⁵ операција с покретним зарезом у секунди) користећи велики број јефтиних и ефикасних МВЈ чипова. Данашњи најбржи рачунар је IBM BlueGene/L располаже са око 0,5 петафлопса, тако да је неколико петафлопса достижно у блиској будућности.

Шта обећавају микропроцесори с више језгара који су у сагласју с технолошким усмерењима?

– Микропроцесори с више језгара (МВЈ) представљају у овом раздобљу технолошки успешну основу за коришћење масивног паралелизма у хардверу. Данашњи типичан број језгара,од 2 до 4, очекује се да до 2015.буде премашен с 128 језгара на једном чипу! Основна предност јесте да није потребно повећавати брзину такта, што смањује невоље узроковане топлотом и поједностављује пројектовање и израду. И овај приступ ће, свакако, достићи границе употребљивости. Међутим, док год Муров закон важи, архитектуре с повећаним бројем језгара су занимљиве. Треба рећи да с много језгара имамо нове тешкоће: повећавају сезахтеви за комуникацију међу језгрима на чипу и приступ меморијама изван чипа је ограничен. То нису једноставни изазови када је број језгара већи од 8. Увелико се ради на новим приступима у комуникацијама – пример је коришћење радио-сигнала на чипу. Као једно решење приступа меморијама изван чипа је директно повезивање процесора и меморија прављењем „сендвич паковања” микропроцесорских и меморијских чипова.

И сами сте се окушали у превазилажењу приступа Џона фон Нојмана у осмишљавању рачунара. Да ли сте од таквог наума одустали?

– Седамдесетих година радио сам на архитектури рачунара различитој од Фон Нојмановог приступа – у којем централна јединица контролише операције над подацима и саобраћај с меморијом. Тај једноставан модел служи изврсно већ више од пола века, али има озбиљна ограничења у постизању високе перформансе и ефикасног софтвера. Ми смо, као и многе друге групе, радили на решавању тих захтева користећи принцип аутономне контроле с током података (дата-флоw) и функционално програмирање. У тзв.дата-флоw рачунарима извршавање операција се активира пристизањем потребних података без учешћа централне контроле. У принципу, такав модел дозвољава максимални паралелизам, ограничен само зависношћу података и функционалним јединицама, комуникацијама и меморијама употребљивим без конфликта. У пракси, то није лако остварити и компромиси због ефикасности вуку на традиционалне архитектуре. Иако ти напори нису довели до радикално нових архитектура, многе идеје су преживеле и утицале на развој софтвера за паралелне и дистрибуиране системе. Функционално програмирање, где једноставно речено програми имају структуру и семантику математичких формула, утицало је на развој нових језика као што су ML, Haskel и Caml, који имају све већи утицај на развој софтвер.

И када се на крају установи да нема више „празне собе”: куда и како даље?

– Рачунарска индустрија је изванредна у прилагођавању. У технолошком погледу, VLSI чипови и CMOS електроника и даље напредују, упркос скептичним предвиђањима да је крај близу: Муров закон ће, изгледа, преживети још десетине година. Нове технологије, као што је спинтроника, увелико се проучавају и за десетак година донеће нова практична решења која ће драстично померити физичка ограничења чипова и заменити или допунити силицијумску технологију. Практични поступци програмирања паралелних рачунара биће усавршени. Према речима Питера Денига, рачунарство је узнапредовало од корисних алатки до рачунарских наука: није само коришћење, већ и стварање новог знања. Рачунарске науке су заузеле средишње место у многим областима, а рачунарство је нашироко приступачно на Интернету нудећи услуге уместо производа.

Научници у разним подручјима, као што су биологија, хемија, медицина, економија и забавна индустрија, прихватају рачунарство и обраду података као срж властитог истраживања. Како рече нобеловац и председник Калифорнијског института за технологију Дејвид Балтимор – „данас је биологија информациона наука”.