Некоторые тенденции развития ИТ
По материалам корпорации Intel.
Многие эксперты полагают, что год 2006-й войдет в историю как очередная веха в области развития высоких технологий. За последние четверть века — с 1981 г., когда был создан первый персональный компьютер, — компьютерная индустрия еще не претерпевала столь бурного развития в течение одного лишь года.
В прошедшем году мир ПК и вычислений кардинально изменился. Появились многоядерные процессоры, а компьютеры с двумя или четырьмя вычислительными ядрами стали реальностью. В немалой степени этому способствовала деятельность корпорации Intel (http://www.intel.com), неуклонно внедряющей технологические инновации и разрабатывающей и выпускающей рекордное количество новых моделей процессоров. Эксперты корпорации определили и исследовали основные тенденции развития информационных технологий в ближайшее время. Ожидается, что вскоре именно они станут теми факторами, которые изменят стиль работы и жизни людей.
Мобильность
Повсеместная мобильность в ближайшее время станет реальностью. Корпоративные и домашние пользователи по достоинству оценили удобства мобильных вычислений, уже сегодня каждый третий проданный ПК — это ноутбук. Портативные вычислительные устройства становятся все более производительными и удобными, а их энергопотребление снижается, поэтому у людей появляется гораздо больше возможностей для работы и отдыха. В прошлом году Intel представила платформу для ультрамобильных ПК. Ожидается, что к концу текущего десятилетия устройства на базе подобных платформ будут потреблять в десять раз меньше электроэнергии по сравнению с сегодняшними моделями.
В начале 2006 г. Intel впервые выпустила двухъядерный процессор Intel Core Duo для ноутбуков, увеличив на 30% производительность системы и снизив ее энергопотребление более чем на 20%. Возможность длительной работы от аккумулятора, беспроводной доступ и ультратонкий корпус стали главными отличительными чертами торговой марки Intel Centrino Duo для мобильных ПК. В июле корпорация анонсировала процессор Intel Core 2 Duo для ноутбуков с производительностью еще на 20% выше, чем у Intel Core Duo. Сегодня продажи ноутбуков превратились в самый быстрорастущий — по сравнению с продажами настольных ПК и серверов — сегмент компьютерного рынка.
Интернет
Повсеместный широкополосный доступ в Интернет тоже становится реальностью. Сегодня практически половина жителей Европейского союза регулярно использует Интернет. Поэтому неудивительно, что в 2006 г. потребность в высококачественном скоростном доступе в сеть существенно выросла. В наступившем году новые беспроводные телекоммуникационные технологии, такие, как WiMAX, позволят достичь огромного прогресса в этой области. В прошедшем году наблюдался бурный рост сетей, использующих технологию WiMAX, — более 250 таких сетей по всему миру было запущено в опытную или коммерческую эксплуатацию. Этому росту в немалой степени способствовали разработки и инвестиции таких компаний, как Intel, Sprint, Motorola, Clearwire и других. Развитие беспроводных сетей в направлении повышения скорости доступа, увеличения зон покрытия и экономической эффективности — ключевая задача для обеспечения повсеместного доступа в Интернет и более широкого распространения технологий беспроводного доступа во всем мире.
Топ-менеджеры Intel считают, что следующим переворотом в ИТ-отрасли станет именно повсеместный широкополосный доступ в Интернет, в любое время и в любом месте. Корпорация сертифицировала свыше 90 тыс. точек беспроводного доступа по всему миру на совместимость с технологией Intel Centrino Duo для мобильных ПК. Intel постоянно сотрудничает с правительственными органами разных стран с целью расширения возможностей мобильного доступа. Уже появились полностью «беспроводные» города — такие, как Бохум в Германии или Умео в Швеции.
Телекоммуникации
Развитие телекоммуникационных технологий — от обычной связи до инструментов совместной работы — достигнет качественно нового уровня. Электронная почта, мобильные телефоны и Интернет значительно ускорили и упростили общение людей, все эти средства связи сегодня оказывают огромное влияние на повседневную жизнь. Но сейчас человечество стоит на пороге новой эры телекоммуникаций. Современные технологии позволяют организовать обмен мультимедийной информацией и обеспечивают общение с высоким уровнем качества и реалистичностью. Использование видеоконференций и Web-конференций для частных и деловых контактов сделает связь более прямой и непосредственной, она станет мощным средством налаживания взаимоотношений. По прогнозам, к 2015 г. 80% всех корпоративных работников в мире будут работать совместно, и при этом у них не будет необходимости в личных встречах. Таким образом, важность технологий для организации коллективной деятельности будет и дальше расти.
Intel поддерживает инициативы в области развития технологий коллективной работы и способствует их продвижению. Средства IP-телефонии встраиваются в самые разные виды продукции: от карманных и настольных ПК до оборудования операторов связи. Корпорация сотрудничает с ведущими отраслевыми партнерами в разработке защищенных стандартных платформ и вкладывает средства в развитие перспективных компаний через организацию Intel Capital Communications Fund.
Мультимедиа
Рост мощности и производительности вычислительных систем в сочетании с появлением новых бизнес-моделей в индустрии развлечений приведет к значительному увеличению объемов загружаемой из Интернета мультимедийной информации. Ожидается, что к концу 2010 г. жители Европы будут тратить на загрузку фильмов 690 млн евро (в 2005 г. эта сумма составляла менее 10 млн евро). Чтобы посмотреть новейший фильм, уже необязательно будет идти в кинотеатр или даже покупать диск в магазине.
Представленная в 2006 г. технология Intel Viiv поддерживает воспроизведение мультимедийного контента от самых разных онлайн-поставщиков. Впервые в отрасли специализированный канал розничных продаж цифровой развлекательной информации Coolroom обеспечивает передачу контента по домашней сети, предоставляя возможность загружать популярные фильмы и смотреть их в любой комнате дома, независимо от того, где установлен компьютер.
В течение нескольких следующих лет доступность высокопроизводительных ПК станет стимулом для разработки еще более интересных и сложных приложений. Многоядерные процессоры архитектуры Intel позволят организовать реальную многозадачную среду. Поиск вирусов или резервное копирование можно будет выполнять в фоновом режиме, при этом работа основных приложений не будет замедляться, что бы у вас ни было запущено на ПК — электронная почта, участие в видеоконференции, редактирование изображений или табличные вычисления.
По мнению представителей Intel, сегодня в отрасли высоких технологий происходят самые серьезные перемены за последние десятилетия. Начинается новая эра, когда вопросы производительности и энергосбережения становятся важнейшими для всех сегментов рынка и для всех аспектов вычислений. Чтобы соответствовать возрастающим потребностям пользователей, корпорация планирует каждые два года внедрять новую микроархитектуру. Это позволит к 2010 г. достичь еще более высокого уровня производительности.
Отметим, что в прошлом году Intel представила рекордное количество процессоров — более 40 моделей менее чем за 200 дней. А летнее представление двухъядерных процессоров семейства Intel Itanium 2 обеспечило этой архитектуре самый высокий показатель роста продаж среди всех процессоров на базе архитектур, отличных от x86. В ноябре Intel начала поставки четырехъядерных процессоров Intel Core 2 Extreme, что еще больше увеличило отрыв ее процессоров по производительности.
Энергоэффективность
Необходимость соблюдения экологических и экономических требований приведет к тому, что в 2007 г. энергоэффективности вычислительных систем будет уделяться особое внимание. При этом количество вычислительных устройств будет расти, а их функциональные возможности — увеличиваться. Согласно результатам недавних исследований, из-за глобального потепления доходы мировой экономики могут сократиться на 20%. Однако в докладе Stern об изменениях климата сообщается, что если начать принимать необходимые меры уже сейчас, то расходы на них не превысят 1% от мирового ВВП.
Сегодня многие ИТ-руководители стремятся к сокращению затрат на электроэнергию, при этом повышение производительности обязательно должно сопровождаться снижением энергопотребления. Процессор Intel Core 2 Duo для настольных ПК обеспечивает увеличение производительности на величину до 40% и снижение потребляемой мощности также на величину до 40% по сравнению с процессором Intel Pentium D 965 для профессиональных систем. К 2010 г. корпорация планирует повысить производительность своей продукции в расчете на 1 Вт на 300% по сравнению с имеющимися моделями. Внедрение 32-нм производственного процесса позволит создавать карманные ПК, которые будут потреблять всего 0,5 Вт электроэнергии и в то же время их вычислительной мощности будет достаточно для работы Windows Vista.
Напомним, что в настоящее время Intel использует производственные мощности, поддерживающие 65-нм технологию, для удовлетворения мирового спроса на процессоры Intel Core 2 Duo и другую новую продукцию. Кроме того, корпорация успешно продемонстрировала производственный процесс следующего поколения на основе 45-нм технологии. Два завода по производству 45-нм продукции планируется ввести в строй в этом году, а первая пробная партия 45-нм изделий была выпущена уже в конце 2006 г.
Доступность ИТ
Ликвидация цифрового неравенства будет оставаться приоритетной задачей. Развитие ИТ дает людям огромные преимущества, но все острее встает проблема, связанная с тем, что эти технологии доступны пока еще не всем. Поэтому ликвидация цифрового неравенства во всем мире становится одной из важнейших задач. До недавнего времени основное внимание уделялось организации доступа к высоким технологиям, но теперь настало время задуматься о результатах этого процесса. Более того, даже в Европе до цифрового равенства еще далеко. Например, сегодня только 45% жителей Польши имеют доступ к ПК. В рамках программы Intel World Ahead корпорация в течение пяти лет инвестирует 1 млрд долл. в организацию повсеместного массового доступа к ИТ, чтобы способствовать повышению уровня жизни людей. Недавно в Intel создали беспроводную высокоскоростную сеть для доступа в Интернет в городе Паринтинс, расположенном на острове на реке Амазонка. Теперь его жители смогут с помощью компьютеров получать медицинскую помощь, пользоваться образовательными ресурсами, заниматься коммерцией.
Intel реализует по всему миру специальные программы, взаимодействуя с развивающимися странами и локальными экономическими сообществами с целью повышения доступности компьютерных технологий для населения и бизнеса. Платформы Eduwise, Rural PC и Discover the PC поддерживают разнообразные функции, в том числе ориентированные на обучение детей, а также имеют дополнительные возможности — специальные коммуникационные функции или средства подключения к автомобильному аккумулятору для работы в условиях частых перемещений либо в удаленных районах с нестабильным энергоснабжением. Таким образом Intel способствует преодолению технологического отставания развивающихся стран для того, чтобы донести цифровые технологии до самых отдаленных групп населения, не имеющих других возможностей приобщения к достижениям современной цивилизации в силу экономических или образовательных барьеров.
Ликвидация компьютерной безграмотности
Ликвидация компьютерной безграмотности станет важнейшей задачей в Европе. Доступ к ИТ может принести выгоды отдельным людям, обществу в целом и экономике только в том случае, если люди смогут пользоваться этими технологиями. Многие пока не считают это проблемой, но в то же время больше трети жителей Европейского союза вообще не имеют опыта работы на компьютере. Приобретение технических знаний необходимо в первую очередь для создания в Европе интеллектуальной экономики, не говоря уже о повышении уровня жизни. Программа Intel «Обучение для будущего» способствует эффективной интеграции ИТ в образовательный процесс. Эта программа была принята в 2000 г., и к настоящему времени в ее рамках прошло обучение свыше 1,5 млн учителей из более чем 30 стран. В программу вовлечено 19 стран Европы, Ближнего Востока и Африки.
Цифровые технологии в здравоохранении
В ближайшие годы нагрузка на медицинские организации в Европе существенно вырастет. В 1995 г. пожилое население Европейского союза (старше 65 лет) составляло 15,4%, а к 2025 г., по прогнозам, доля пожилых людей достигнет 22,4%. Для повышения эффективности медицинской помощи и сокращения расходов на здравоохранение необходимо массовое внедрение ИТ, что позволит собирать значительно больше информации о пациентах. Еще более важно, что такие разработки, как системы ведения историй болезни в электронной форме, оборудование для дистанционного мониторинга и датчики, определяющие состояние больных, способны значительно повысить качество лечения и ухода. Совместно с Asklepios Group, самой крупной частной медицинской организацией в Германии, Intel занимается внедрением беспроводных технологий и установкой беспроводной операционной в новой клинике Barmbek Hospital в Гамбурге. Эти системы позволят улучшить связь между пациентами и медицинскими работниками, а также повысить эффективность лечения и ухода за больными.
На пути к пета-системам
Разработки Intel в области полупроводниковой фотоники, включая недавно представленный полупроводниковый гибридный лазер, позволят повысить скорость обмена данными между микросхемами, преодолев тем самым барьеры на пути к созданию еще более быстродействующих компьютеров. Исследователи корпорации продолжают разрабатывать технологии, отвечающие ожиданиям и потребностям людей. Так, один из самых мощных в Европе суперкомпьютеров Finis Terrae (более 2,5 тыс. процессорных ядер Intel Itanium 2) будет использоваться для международных исследовательских проектов.
Показано, что в среднем вычислительная мощь настольных ПК отстает от уровня производительности суперкомпьютеров на 13 лет. Иными словами, по уровню производительности сегодняшние профессиональные ПК практически полностью соответствуют суперкомпьютерам 13-летней давности. Именно поэтому исследование рынка высокопроизводительных вычислений — хороший способ оценить направление развития массовых компьютеров будущего. Не так давно суперкомпьютеры преодолели планку производительности в 1 TFLOPS (триллион операций с плавающей запятой в секунду), уже не за горами достижение ими производительности уровня петафлопс (PFLOPS — квадриллион, или 1015 операций с плавающей запятой в секунду), тогда как тера-вычисления станут уделом среднестатистического пользователя ПК.
По оценкам экспертов, для задач аэродинамики достаточно производительности в несколько PFLOPS, для задач молекулярной динамики требуется уже 20 PFLOPS, для вычислительной космологии — фантастическая производительность на уровне 10 EFLOPS (один экзафлопс равен квинтиллиону, или 1018 операций с плавающей запятой в секунду), а задачи вычислительной химии потребуют еще более мощных процессоров. Инженеры-исследователи Intel полагают, что компьютеры с производительностью, равной секстиллиону (1021) операций с плавающей запятой в секунду, появятся к 2029 г. Они также не без оснований считают, что проблемы и достижения сегодняшних суперкомпьютеров станут проблемами и достижениями завтрашних настольных ПК. Рынок высокопроизводительных вычислений растет — его объем уже достиг 10 млрд долл., а в некоторых секторах ежегодный рост продаж превышает 30%; растет и количество проданных во всем мире профессиональных высокопроизводительных компьютеров на базе процессоров Intel.
Немного историиВсего 60 лет назад ламповый компьютер ENIAC, считавшийся технологической вершиной в области высокопроизводительных вычислений, имел лишь 20 ячеек оперативной памяти. В середине 60-х годов появился суперкомпьютер CDC 6600, производительность которого достигла 9 MFLOPS. И только в 1997 г. суперкомпьютер ASCII Red, содержавший 9298 процессоров Intel Pentium Pro, вышел на уровень производительности в терафлопс. Сегодня система на базе 464 четырехъядерных процессоров Intel Xeon серии 5300, занимающая гораздо меньший объем, обладает вшестеро большей пиковой производительностью. |
Согласно сегодняшним оценкам, первые пета-суперкомпьютеры появятся уже в 2008–2009 гг. Чтобы это высчитать, достаточно взять параметры производительности самых высокоскоростных компьютеров в мире, опубликованные на сайте http://www.top500.org, и экстраполировать их в соответствии с наблюдаемыми тенденциями роста. Однако для того чтобы создать пета-компьютеры для массового рынка, предстоит решить немало серьезных проблем. С этой целью Intel вместе со своими партнерами ведет исследования по следующим направлениям:
- производительность;
- пропускная способность памяти;
- межкомпонентные соединения;
- управление электропитанием;
- надежность.
По мнению руководителей корпорации, для достижения уровня пета-вычислений с помощью современных технологий повышения производительности полупроводниковых микросхем потребуется создать процессор со 100 тыс. вычислительных ядер. Для практической реализации таких систем придется существенно повысить плотность размещения ядер на кристалле. Сегодня ведутся активные споры по поводу того, что лучше для архитектуры будущих компьютеров — множество небольших ядер, оптимизированных для ускорения параллельных вычислений, или несколько более крупных ядер, ускоряющих последовательные вычисления. Склоняясь к первому пути развития, исследователи понимают, что ставят перед собой трудоемкую задачу перевода программной индустрии на рельсы параллельного программирования.
Следующая область исследований Intel — организация соединений вычислительных ядер между собой. Соединения с помощью общей шины занимают меньше места, обладают высокой пропускной способностью и хорошо масштабируются, но неэффективны по энергопотреблению. Второй вариант — «кольцевое» соединение ядер для передачи сигналов. Недостаток такой схемы состоит в низком уровне масштабируемости при увеличении числа ядер. Третий вариант — это матричная архитектура, когда каждое ядро связывается с каждым через цепочку соседних ядер.
Стоить вспомнить, что на осеннем Форуме Intel для разработчиков IDF в Сан-Франциско был представлен прототип процессора с 80 ядрами, который потенциально обеспечит настольным компьютерам производительность уровня терафлопс. Ориентировочная дата выхода подобного процессора на рынок — 2010 г. или даже ранее. В основе прототипа процессора лежит архитектура x86 и такие разработки Intel, как система высокопроизводительных вычислений на микросхеме (HPC-on-chip), новая структура соединений элементов памяти, новые энергосберегающие технологии и т. д. Напомним, что в 2006 г. Intel объявила глобальную программу исследований, названную Tera-Scale Computing и объединяющую более 80 различных исследовательских проектов во всем мире, усилия которых распределены по трем основным направлениям: улучшение технологий проектирования и изготовления кремниевых кристаллов, оптимизация платформ и новые подходы к программированию.
Руководство корпорации отмечает, что необходимые шаги по направлению к «тера-эре» будут сделаны в течение ближайшего десятилетия. Например, большое внимание в современных исследованиях уделяется тому, как оптимизировать работу кэш-памяти, сделать ее конфигурируемой в зависимости от решаемых задач и разработать параллелизм обращения множества ядер к общей памяти. Intel также планирует интегрировать в свои кристаллы цифровой самонастраивающийся беспроводной приемопередатчик широкого диапазона, не за горами и появление прикладных устройств, основанных на принципах интегрированной кремниевой фотоники.
Эксперты подчеркивают, что высокая скорость передачи данных между вычислительными ядрами и памятью — существенная проблема. Дело в том, что память должна обладать крайне высокой пропускной способностью. При этом, если увеличивать тактовую частоту канала памяти, то достаточно быстро можно столкнуться с физическими ограничениями, которые налагают медные проводники. Один из возможных путей преодоления этих ограничений состоит в увеличении числа каналов памяти, но при этом увеличиваются размеры процессора и его себестоимость. Специалисты полагают, что придется искать более экзотические технологии передачи данных. По расчетам, выполненным инженерами Intel, для работы пета-процессоров потребуется память с пропускной способностью около 500 Гбайт/с.
Еще один важнейший аспект работы пета-компьютеров — это быстродействие системы ввода-вывода. Ученые Intel сейчас работают над тем, чтобы обеспечить скорость передачи данных до сотен гигабайт в секунду.
И все же самыми серьезными проблемами при создании пета-устройств остаются энергоснабжение и надежность. Мощность энергопотребления современного крупного центра обработки данных (ЦОД) составляет в среднем 9—10 МВт. Мощность, потребляемая компьютером со 100 тыс. ядер, может составить около 20 МВт. К этому надо прибавить мощность, необходимую для охлаждения пета-компьютеров. При нынешней стоимости электроэнергии расходы на энергоснабжение одной только пета-системы превысят 14,6 млн долл. в год. Именно поэтому вопрос эффективного использования электроэнергии крайне важен, что диктует применение энергосберегающих технологий на всех уровнях, от транзисторов до ЦОД:
- на уровне транзистора — технологии напряженного кремния, технологии снижения токов утечки и т. п.;
- на уровне процессора — распределение нагрузки на основе многопоточности;
- на уровне системы — высокоточное управление энергопотреблением в зависимости от загрузки системы;
- на уровне ЦОД — использование усовершенствованных систем жидкостного и воздушного охлаждения, а также вертикальная интеграция теплоотводящих решений.
Более того, исследователи прогнозируют возникновение совершенно неожиданных проблем, связанных с космическими лучами. Ведь в пета-процессорах с высокой интеграцией вычислительных элементов будут использоваться столь малые транзисторы, что они окажутся подвержены влиянию высокоэнергетических частиц, которые составляют космические лучи. Эти частицы способны вызвать случайный сбой данных при попадании в транзистор, а по мере повышения плотности размещения транзисторов на кристалле количество таких случайных сбоев будет быстро расти. Эксперты Intel считают, что если число ядер на кристалле достигнет 100 тыс., эти сбои могут стать неуправляемыми. И поскольку они будут оказывать все большее влияние на работу системы, с ними нужно будет бороться. В Intel уже начали исследования в этом направлении. Перспективные технологии обеспечения надежности включают использование контроля четности и кодов корректировки ошибок, а также применение избыточных ядер для проверки результатов вычислений основных ядер системы.