Технические средства информационных технологий

Основу технического обеспечения информационных технологий составляют компьютеры, являющиеся ядром любой информационной системы. Первоначально компьютеры были созданы для реализации большого объема вычислений, представляющих длинные цепочки итераций. Главным требованием при этом были высокая точность и минимальное время вычислений. Такие процессы характерны для числовой обработки.

По мере внедрения ЭВМ, их эволюционного развития, в частности создания персональных компьютеров, широко стали возникать другие области применения, отличные от вычислений, например, обработка экономической информации, создание информационно-справочных систем, автоматизация учрежденческой деятельности и т. п. В данном случае не требовались высокая точность и большой объем вычислений, однако объем обрабатываемой информации мог достигать миллионов и миллиардов записей. При этом требовалось не только обработать информацию, а предварительно ее найти и организовать соответствующую процедуру вывода. Указанные процессы характерны для нечисловой обработки, требующей в большинстве случаев больших затрат машинного времени. Рассмотренные аспекты оказали решающее влияние на развитие архитектуры ЭВМ.

ЭВМ классической Сфоннеймановской) архитектуры состоит из пяти основных функциональных блоков (рис. 5.4):

• 1) запоминающего устройства (далее — ЗУ);
• 2) устройства управления;
• 3) устройств управления и арифметически-логического, рассматриваемых вместе и называемых центральным процессором;
• 4) устройства ввода;
• 5) устройства вывода.

Рис. 5.4. Фоннеймановская архитектура ЭВМ

—управление; …—данные.

В фоннеймановской архитектуре для обработки огромного объема информации (миллиарды байтов) используется один процессор. Связь с данными осуществляется через канал обмена. Ограничения пропускной способности канала и возможностей обработки в центральном процессоре приводят к тупиковой ситуации при нечисловой обработке в случае увеличении объемов информации. Для выхода из тупика было предложено два основных изменения в архитектуру 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. Это приемлемо для числовой обработки, но при нечисловой обработке обращение должно осуществляться по содержанию (ассоциативная адресация). Поскольку для нечисловой обработки в основном используется та же архитектура, необходимо было найти способ организации ассоциативного доступа. Он осуществляется путем создания специальных таблиц (справочников) для перевода ассоциативного запроса в соответствующий адрес. При такой организации обращения к ЗУ, называемом эмуляцией ассоциативной адресации, в случае работы с большими объемами информации резко падает производительность ЭВМ. Это связано с тем, что нечисловая обработка — это не только просмотр, но и обновление данных.

Для преодоления ограничений организации памяти были предложены ассоциативные запоминающие устройства.

Таким образом, ЭВМ для нечисловой обработки должна удовлетворять следующим требованиям: ассоциативность, параллелизм, обработка в памяти. Кроме этого, на более высоком уровне к архитектуре предъявляются следующие требования:

• • перестраиваемость параллельных процессоров и запоминающих устройств;
• • сложные топологии соединений между процессорами;
• • мультипроцессорная организация, направленная на распределение функций.

Перечисленные выше ограничения и требования были реализованы в МВД.

Подытоживая вышесказанное, приведем классификацию архитектур ЭВМ:

• • архитектура с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных (S/SD);
• • архитектура с одиночным потоком команд и множественным потоком данных (S/MD);
• • архитектура с множественным потоком команд и одиночным потоком данных (M/SD);
• • архитектура с множественным потоком команд и множественным потоком данных (MIMD).

К разряду SISD относятся современные фоннеймановские однопроцессорные системы. В этой архитектуре центральный процессор работает с парами атрибут-значение. Атрибут (метка) используется для локализации соответствующего значения в памяти, а одиночная команда, обрабатывающая содержимое накопителя (регистра) и значение, выдает результат. В каждой итерации из входного потока данных используется только одно значение.

К классу SIMD относят большой класс архитектур, основная структура которых состоит из одного контроллера, управляющего комплексом одинаковых процессоров. В зависимости от возможностей контроллера и процессорных элементов, числа процессоров, организации поиска и характеристик маршрутных и выравнивающих сетей выделяют четыре типа SIMD.

Матричные процессоры, организованные так, что при выполнении заданных вычислений, инициированных контроллером, они работают параллельно. Предназначены для решения векторных и матричных задач, относящихся к числовой обработке.

Ассоциативные процессоры, обеспечивающие работу в режиме поиска по всему массиву, за счет соединения каждого процессора непосредственно с его памятью. Используются для решения нечисловых задач.

Процессорные ансамбли, представляющие совокупность процессоров, объединенных определенным образом для решения заданного класса задач, ориентированных на числовую и нечисловую обработку.

Конвейерные процессоры (последовательные и векторные), осуществляющие выполнение команд и обработку потоков данных по принципу, аналогичному транспортному конвейеру. В этом случае каждый запрос использует одни и те же ресурсы. Как только некоторый ресурс освобождается, он может быть использован следующим запросом, не ожидая окончания выполнения предыдущего. Если процессоры выполняют аналогичные, но не тождественные задания, то это последовательный конвейер, если все задания одинаковы — векторный конвейер.

К классу MISD может быть отнесена единственная архитектура, конвейер, но при условии, что каждый этап выполнения запроса является отдельной командой.

К разряду MIMD, хотя и не всегда однозначно, относят следующие конфигурации:

• • мультипроцессорные системы;
• • системы с мультиобработкой;
• • вычислительные системы из многих машин;
• • вычислительные сети.

Общим для данного класса является наличие ряда процессоров и мультиобработки. В отличие от параллельных матричных систем, число процессоров невелико, а термин «мультиобработка» понимается в широком смысле для обозначения функционально распределенной обработки (сортировки, слияния, ввода-вывода и др.).

Другим направлением развития вычислительной техники является нейрокомпьютеринг, основанный на нейронных сетях. Разработки проводятся в двух направлениях: аппаратном и программном. Нейрокомпьютеры обладают сверхвысокой производительностью, но благодаря сложным технологиям имеют очень высокую стоимость. Поэтому они используются узким кругом пользователей для решения суперзадач.

В последние годы ведутся работы по созданию биокомпьютера на основе молекулярных технологий. Идея молекулярного вычислителя состоит в представлении «машинного» слова в виде состояний молекул.

На данное время существуют следующие классы технических средств информационных технологий:

• • персональные компьютеры;
• • мобильные (носимые) ПК;
• • нестандартные конструкции ПК;
• • мейнфреймы;
• • нейрокомпьютеры;
• • системы для облачных вычислений;
• • суперкомпьютеры;
• • вычислительный кластер.