Mur će još dugo poživeti

INTERVJU
Kako dobiti više za manje (priznajte da prvo niste pomislili na na čipove)? Minulih godina u potragu za odgovor upustio se vrhunski međunarodni znalac računarskog ustrojstva Miloš Ercegovac (66), inostrani član SANU i profesor na cenjenom Kalifornijskom univerzitetu u Los Anđelesu.

Naš sagovornik je diplomirao 1965. na Elektrotehničkom fakultetu u Beogradu, doktorirao 1975. na Univerzitetu Ilinois, a jedno vreme se bavio istraživanjima u Institutu „Mihajlo Pupin”. U mnoštvu udruženja i ustanova u koja je učlanjen, izdvajaju se, verovatno, dva najuvaženija na svetu – IEEE (Institut elektro i elektronskih inženjera) i ACM (Udruženje računarskog mašinstva).

Kakvu poruku i (pouku) nosi krilatica „Izvući više iz manje”?

– Dugo smo svedoci neprestanog i brzog razvoja VLSI tehnologije (veoma velika gustina pakovanja),što je godinama omogućavalo sve brže i složenije računare (mikroprocesori?). Međutim, dalji napredak pristupa „sve brže i više” došao je do ozbiljnih prepreka uzrokovanih prvenstveno veoma povećanim rasipanjem (disipacija) snage i nagomilavanjem termičke energije na čipu, što je, uprkos uvođenju postupaka za nadgledanje temperature, dovelo do fizičkih i ekonomskih granica u razvoju. Sve brži čipovi zahtevaju složeno i skupo osmišljavanje i proizvodnju. Na sreću, smanjivanje tranzistora i ostalih komponenti i dalje usavršavanje elementarnih elektronskih kola ne prestaju, omogućujući nove puteve u arhitekturi mikroprocesora. Drugim rečima, tzv. Murov zakon – da se broj tranzistora po jedinici površine približno udvostručava svake dve godine – nastavlja da važi. Pošto sporiji imaju manje teskoća s dispacijom snage, rešenje je praviti čipove s više sporijih komponenti, koristeći masivni paralelizam u komponentama, da se postignu bolje odlike. U tom smislu, mi dobijamo (ili očekujemo) više od jednostavnijih i sporijih mikroprocesora kojih sve više možemo da integrišemo na čipu.

Dokle nas je doveo slavni pohod udvostručenja mikroprocesorske snage (i brzine)? Kada nailazi nepremostiva prepreka?

– Murov zakon već decenijama definiše porast broja tranzistora na čipu smanjivanjem dimenzija osnovnih komponenti. Kada se tranzistor smanji do veličine atoma, taj proces će, svakako, biti završen – ceni se da će do toga doći za 10-15 godina. Međutim, postoje intenzivna istraživanja novih tehnologija (razne nano i nesilicijumske) i očekuje se da će to doneti primenljive rezultate u sledećih 15-20 godina.

A šta dolazi posle – nude se nekoliki tehnološki ishodi i izlazi: od usavrševanja postojećeg do uvođenja sasvim novog?

– Preovlađujuća tehnologija integrisanih kola (CMOS) će i dalje napredovati zahvaljujući unapređenjima u materijalima, proizvodnji čipova i tehnikama projektovanja. Kako se komponente smanjuju, nove arhitekture su potrebne da pokriju smanjenu pouzdanost. Masivna replikacija komponenti je najverovatniji pristup. Takve arhitekture izgledaju pogodne za nanocevčice i spintroniku kod koje se logički signali „0” i „1” predstavljaju smerom obrtanja (rotacija) elektrona.

Ima li ubrzavanje takta svoje konačno ograničenje? Koliko najviše zadataka (instrukcija) će moći da obavi silicijumski čip?

– Ostvarenje veoma brzog takta je teško i skupo. Čipovi s bržim taktom koriste više energije iispuštaju više toplote. Raspodela bržih taktova zahteva relativno veliku površinu na šipu, što je beskorisno za rad mikroprocesora. Kombinacija tih činilaca vodi ka novom stilu arhitektura, zasnovanih na sporijim i jednostavnijim mikroporcesorima koji se mogu praviti u velikom broju na čipu. Štaviše, takav pristup s mnogo mikroprocesora na čipu omogućava brže komunikacije između mikroprocesora što pojednostavljuje, inače teško, paralelno programiranje. Vrhunske odlike ostaju važan cilj – jedino se pristup menja. Umesto tradicionalnog superkompjutera, veomasloženog i izuzetno skupog, današnji pristup jeste da se koristi masivni paralelizam u hardveru koji definiše danas popularnu arhitekturu – zvanu mikroprocesori s više jezgara (MVJ). Neposredan cilj jeste da se dostigne petaflops (10¹⁵ operacija s pokretnim zarezom u sekundi) koristeći veliki broj jeftinih i efikasnih MVJ čipova. Današnji najbrži računar je IBM BlueGene/L raspolaže sa oko 0,5 petaflopsa, tako da je nekoliko petaflopsa dostižno u bliskoj budućnosti.

Šta obećavaju mikroprocesori s više jezgara koji su u saglasju s tehnološkim usmerenjima?

– Mikroprocesori s više jezgara (MVJ) predstavljaju u ovom razdoblju tehnološki uspešnu osnovu za korišćenje masivnog paralelizma u hardveru. Današnji tipičan broj jezgara,od 2 do 4, očekuje se da do 2015.bude premašen s 128 jezgara na jednom čipu! Osnovna prednost jeste da nije potrebno povećavati brzinu takta, što smanjuje nevolje uzrokovane toplotom i pojednostavljuje projektovanje i izradu. I ovaj pristup će, svakako, dostići granice upotrebljivosti. Međutim, dok god Murov zakon važi, arhitekture s povećanim brojem jezgara su zanimljive. Treba reći da s mnogo jezgara imamo nove teškoće: povećavaju sezahtevi za komunikaciju među jezgrima na čipu i pristup memorijama izvan čipa je ograničen. To nisu jednostavni izazovi kada je broj jezgara veći od 8. Uveliko se radi na novim pristupima u komunikacijama – primer je korišćenje radio-signala na čipu. Kao jedno rešenje pristupa memorijama izvan čipa je direktno povezivanje procesora i memorija pravljenjem „sendvič pakovanja” mikroprocesorskih i memorijskih čipova.

I sami ste se okušali u prevazilaženju pristupa Džona fon Nojmana u osmišljavanju računara. Da li ste od takvog nauma odustali?

– Sedamdesetih godina radio sam na arhitekturi računara različitoj od Fon Nojmanovog pristupa – u kojem centralna jedinica kontroliše operacije nad podacima i saobraćaj s memorijom. Taj jednostavan model služi izvrsno već više od pola veka, ali ima ozbiljna ograničenja u postizanju visoke performanse i efikasnog softvera. Mi smo, kao i mnoge druge grupe, radili na rešavanju tih zahteva koristeći princip autonomne kontrole s tokom podataka (data-flow) i funkcionalno programiranje. U tzv.data-flow računarima izvršavanje operacija se aktivira pristizanjem potrebnih podataka bez učešća centralne kontrole. U principu, takav model dozvoljava maksimalni paralelizam, ograničen samo zavisnošću podataka i funkcionalnim jedinicama, komunikacijama i memorijama upotrebljivim bez konflikta. U praksi, to nije lako ostvariti i kompromisi zbog efikasnosti vuku na tradicionalne arhitekture. Iako ti napori nisu doveli do radikalno novih arhitektura, mnoge ideje su preživele i uticale na razvoj softvera za paralelne i distribuirane sisteme. Funkcionalno programiranje, gde jednostavno rečeno programi imaju strukturu i semantiku matematičkih formula, uticalo je na razvoj novih jezika kao što su ML, Haskel i Caml, koji imaju sve veći uticaj na razvoj softver.

I kada se na kraju ustanovi da nema više „prazne sobe”: kuda i kako dalje?

– Računarska industrija je izvanredna u prilagođavanju. U tehnološkom pogledu, VLSI čipovi i CMOS elektronika i dalje napreduju, uprkos skeptičnim predviđanjima da je kraj blizu: Murov zakon će, izgleda, preživeti još desetine godina. Nove tehnologije, kao što je spintronika, uveliko se proučavaju i za desetak godina doneće nova praktična rešenja koja će drastično pomeriti fizička ograničenja čipova i zameniti ili dopuniti silicijumsku tehnologiju. Praktični postupci programiranja paralelnih računara biće usavršeni. Prema rečima Pitera Deniga, računarstvo je uznapredovalo od korisnih alatki do računarskih nauka: nije samo korišćenje, već i stvaranje novog znanja. Računarske nauke su zauzele središnje mesto u mnogim oblastima, a računarstvo je naširoko pristupačno na Internetu nudeći usluge umesto proizvoda.

Naučnici u raznim područjima, kao što su biologija, hemija, medicina, ekonomija i zabavna industrija, prihvataju računarstvo i obradu podataka kao srž vlastitog istraživanja. Kako reče nobelovac i predsednik Kalifornijskog instituta za tehnologiju Dejvid Baltimor – „danas je biologija informaciona nauka”.