Что такое компьютер общего назначения

Компьютерщики Ада, графиня Лавлейс (британка), Говард Эйкен (США), Чарльз Бэббидж (британка), Тим Бернерс- Ли (английский), Сеймур Крей (США), Джон Преспер Эккерт (США), Билл Гейтс (США ), Герман Холлерит (США), Джон У. Мочли (США), Клайв Синклер (британец), Алан Мэтисон Тьюринг ( Великобритания), Джон фон Нейманн (США)

Тезаурус английского языка Коллинза – полное и полное, 2-е издание. 2002 г. © HarperCollins Publishers, 1995 г., 2002 г.

Компьютерные системы сильно различаются по задачам, которые они выполняют, и по тому, как пользователи взаимодействуют с ними, но есть некоторые общие характеристики, которые мы можем приписать всем компьютерным системам.

Особенности компьютерной системы

Компьютерная система построена с использованием комбинации аппаратного и программного обеспечения, которая определяет, что система может делать и как она может это делать. Программное обеспечение состоит из запрограммированных инструкций для взаимодействия с оборудованием и обработки данных.

Компьютерные системы можно описать с точки зрения:

• Получение данных от устройств ввода, например сенсорного экрана или датчика.
• Сохранение данных в памяти, чтобы к ним можно было получить доступ
• Обработка данных, чтобы сделать их более информативными.
• Вывод данных для просмотра пользователем или другим устройством.

Хотите продолжать
учиться?

Разработка и создание прототипа встроенных компьютерных систем

Все компьютерные системы разработаны с использованием этой общей модели: ввод, хранение, обработка и вывод. Однако существуют некоторые фундаментальные различия в том, как можно создавать и использовать компьютерные системы. Компьютерные системы можно разделить на две основные категории: системы общего назначения и встроенные системы.

Системы общего назначения

Система общего назначения – это компьютерная система, которую можно запрограммировать для выполнения большого количества задач. Компьютеры общего назначения спроектированы таким образом, что пользователи или устройства могут взаимодействовать с ними различными способами для удовлетворения самых разных потребностей.

Возможность запуска множества различных программ позволяет системе общего назначения быть весьма универсальной с точки зрения типов задач, которые она может выполнять. Программное обеспечение можно довольно легко добавлять, обновлять и удалять, что изменяет функциональность системы.

Как правило, система общего назначения имеет широкий набор входов и выходов, которые можно к ней подключить. Например, наличие портов USB на ноутбуке позволяет другим устройствам изменять возможности и функции, доступные для ноутбука.

Поскольку системы общего назначения предназначены для выполнения множества различных типов процессов, они часто не полностью оптимизированы для выполнения каждой отдельной задачи. Для некоторых задач оптимизация имеет ключевое значение!

Встроенные системы

Встроенные системы – это компьютерные системы, которые выполняют небольшое количество задач. При разработке встраиваемой системы производители сосредоточатся на специальных функциях, которые система должна выполнять. Они будут оптимизировать систему до тех пор, пока она не будет выполнять каждую из этих задач очень эффективно.

Примером встроенной системы является кардиостимулятор – небольшое устройство, помещаемое внутрь человека, которое отслеживает и контролирует его сердцебиение, чтобы обеспечить его регулярность. Если датчики обнаруживают нарушение сердечного ритма, устройство посылает в сердце электрические импульсы, чтобы отрегулировать сердцебиение.

Встроенные системы обеспечивают очень точный контроль над оборудованием с помощью микропрограммы, которая представляет собой тип программного обеспечения, используемого для этой цели. Язык ассемблера часто используется для разработки прошивки, так как он обеспечивает прямой контроль над определенными аппаратными компонентами.

Современные встраиваемые системы содержат микроконтроллер, который состоит из центрального процессора (ЦП) для обработки данных, а также фиксированного объема ОЗУ и ПЗУ. Ранее встраиваемые системы основывались на микропроцессорах, содержащих только центральный процессор.

Большинство встраиваемых систем работают только с прошивкой, добавленной к устройству производителем. Однако прошивка некоторых устройств может быть обновлена ​​пользователем.

Преимущества встроенных систем

• Высокоэффективен в выполнении задач
• Чрезвычайно надежный
• Простой дизайн
• Дешевое производство
• Компактный размер
• Низкое энергопотребление

Типы встроенных систем

Встроенные системы можно разделить на четыре основные категории в зависимости от их производительности и функциональных требований.Категории не являются взаимоисключающими, и система может представлять их комбинацию.

Автономные встроенные системы

Автономные встроенные системы работают сами по себе и не требуют хост-системы для передачи данных между устройствами или другими компьютерными системами. Примерами автономных встроенных систем являются цифровые часы и игровые приставки.

Встроенные системы реального времени

Встроенная система реального времени предназначена для выполнения задачи в течение определенного периода времени, например для потоковой передачи видео и аудио. Их можно разделить на три типа: системы жесткого, жесткого и мягкого реального времени. Вы узнаете больше об этом на следующей неделе.

Сетевые встроенные системы

Сетевые встроенные системы подключаются к сети устройств, чтобы они могли совместно использовать ресурсы и получать к ним доступ. Примером сетевой встроенной системы является карточный автомат для приема платежей кредитной или дебетовой картой.

Мобильные встроенные системы

Мобильные встраиваемые системы встречаются в портативной электронике. Их легко транспортировать, но они могут иметь ограничения, такие как объем памяти или доступных ресурсов. Примерами мобильных встроенных систем являются фитнес-трекеры и цифровые камеры.

Обсуждение

Каковы недостатки встроенных систем по сравнению с системами общего назначения?

Закон Мура стал залогом замечательного периода роста и стабильности компьютерной индустрии. Удвоение плотности транзисторов с предсказуемой частотой способствовало не только пятидесятилетнему повышению производительности процессоров, но и развитию модели вычислений общего назначения. Однако, по мнению пары исследователей из Массачусетского технологического института и Ахенского университета, все это подходит к концу.

Нил Томпсон, научный сотрудник отдела информатики и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института. Лаб и приглашенный профессор Гарварда, а также Свенья Спанут, аспирант Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена, спорят о том, что мы все время освещали здесь, на The Next Platform; что распад закона Мура, наряду с новыми приложениями, такими как глубокое обучение и добыча криптовалюты, уводит отрасль от микропроцессоров общего назначения к модели, которая отдает предпочтение специализированным микропроцессорам. «Появление компьютерных чипов общего назначения было замечательным. Так же может быть и их падение», — утверждают они.

Как они отмечают, вычисления общего назначения не всегда были нормой. На заре суперкомпьютеров в отрасли высокопроизводительных вычислений доминировали заказные векторные архитектуры таких компаний, как Cray. Версия этого все еще существует сегодня в векторных системах, созданных NEC. Но благодаря скорости, с которой закон Мура улучшил соотношение цены и производительности транзисторов за последние несколько десятилетий, экономические силы в значительной степени благоприятствовали процессорам общего назначения.

В основном это связано с тем, что стоимость разработки и производства индивидуального чипа составляет от 30 до 80 млн долларов США. Таким образом, даже для пользователей, которым требуются высокопроизводительные микропроцессоры, преимущества специализированной архитектуры быстро теряются, поскольку уменьшение размера транзисторов в микросхемах общего назначения сводит на нет любой первоначальный прирост производительности, обеспечиваемый специализированными решениями. В то же время затраты, связанные с уменьшением размеров транзисторов, могут быть амортизированы для миллионов процессоров.

Но экономика вычислений, основанная на законе Мура, сейчас меняется. В последние годы транзисторы с усадкой стали намного дороже, поскольку физические ограничения лежащего в их основе полупроводникового материала начинают проявляться. Авторы отмечают, что за последние 25 лет стоимость создания передовой фабрики росла на 11 процентов в год. В 2017 году Ассоциация полупроводниковой промышленности подсчитала, что строительство нового завода стоит около 7 миллиардов долларов. Это не только увеличивает постоянные затраты производителей микросхем, но и сократило количество производителей полупроводников с 25 в 2002 году до четырех сегодня: Intel, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), Samsung и GlobalFoundries.

Все это коренным образом изменило соотношение цена/качество уменьшения размера транзисторов. Как отмечают авторы, впервые в своей истории постоянные затраты Intel превысили переменные затраты из-за растущих расходов на строительство и эксплуатацию новых заводов. Еще больше смущает тот факт, что такие компании, как Samsung и Qualcomm, теперь считают, что стоимость транзисторов, произведенных на новейших технологических узлах, в настоящее время растет, что еще больше препятствует стремлению к уменьшению геометрии. Такое мышление, вероятно, стало причиной недавнего решения GlobalFoundries отказаться от своих планов в отношении 7-нанометровой технологии.

Это не просто нарушение закона Мура. Другой движущей силой специализированных процессоров является новый набор приложений, которые не подходят для вычислений общего назначения.Во-первых, у вас есть такие платформы, как мобильные устройства и Интернет вещей (IoT), которые настолько требовательны в отношении энергоэффективности и стоимости и развертываются в таких больших объемах, что требуют специализированных микросхем даже при относительно надежном законе Мура в место. Небольшие приложения с еще более строгими требованиями, например, в военном и авиационном оборудовании, также подходят для разработок специального назначения. Но авторы считают, что настоящим переломным моментом для отрасли стало глубокое обучение — категория приложений, которая применима практически ко всем вычислительным средам — мобильным, настольным, встроенным, облачным и суперкомпьютерным.

Глубокое обучение и его предпочтительная аппаратная платформа, графические процессоры, представляют собой наиболее наглядный пример того, как вычисления могут двигаться по пути от процессоров общего назначения к специализированным. Графические процессоры, которые можно рассматривать как полуспециализированную вычислительную архитектуру, стали де-факто платформой для обучения глубоких нейронных сетей благодаря их способности выполнять параллельную обработку данных намного эффективнее, чем у ЦП. Авторы отмечают, что, хотя графические процессоры также используются для ускорения научных и инженерных приложений, именно глубокое обучение станет масштабным приложением, которое сделает возможной дальнейшую специализацию. Конечно, не помешало и то, что графические процессоры уже получили широкое распространение в настольных играх, для которых они изначально были разработаны.

Но для глубокого обучения графические процессоры могут быть только средством входа. Intel, Fujitsu и более дюжины стартапов уже готовят чипы для искусственного интеллекта и глубокого обучения. Собственный тензорный процессор Google (TPU), который был специально создан для обучения и использования нейронных сетей, сейчас находится в третьей итерации. «Создание кастомизированного процессора обошлось Google очень дорого, при этом эксперты оценивают фиксированную стоимость в десятки миллионов долларов», — пишут авторы. "И тем не менее, преимущества также были велики – они утверждают, что их прирост производительности был эквивалентен семи годам действия закона Мура – и что затраты на инфраструктуру, которых удалось избежать, того стоили".

Томпсон и Спанут также отметили, что специализированные процессоры все чаще используются в суперкомпьютерах. Они указали на рейтинг TOP500 за ноябрь 2018 года, который показал, что впервые специализированные процессоры (в основном графические процессоры Nvidia), а не центральные процессоры, были ответственны за большую часть добавленной производительности. Авторы также провели регрессионный анализ списка, чтобы показать, что суперкомпьютеры со специализированными процессорами «увеличивают количество вычислений, которые они могут выполнять на ватт, почти в пять раз быстрее, чем те, которые используют только универсальные процессоры, и что этот результат очень высок». статистически значимо».

Томпсон и Спанут предлагают математическую модель для определения соотношения затрат и выгод специализации, принимая во внимание фиксированную стоимость разработки нестандартных микросхем, объем микросхемы, ускорение, обеспечиваемое нестандартной реализацией, и темпы улучшения процессора. Поскольку последний связан с законом Мура, его замедление означает, что становится легче рационализировать специализированные чипы, даже если ожидаемое ускорение будет относительно скромным.

< бр />

Томпсон и Спанут также учли дополнительные расходы на перенастройку прикладного программного обеспечения для специализированных процессоров, которые они оценили в 11 долларов США за строку кода. Это несколько усложняет модель, так как приходится учитывать размер кодовой базы, которую не всегда легко отследить. Здесь они также подчеркивают, что после завершения повторной разработки кода она имеет тенденцию препятствовать перемещению базы кода обратно на платформы общего назначения.

Суть в том, что медленная кончина закона Мура разрушает то, что раньше было благотворным циклом инноваций, расширения рынка и повторных инвестиций. По мере того, как более специализированные чипы начинают отнимать часть компьютерной индустрии, этот цикл становится фрагментированным. Поскольку все меньше пользователей переходят на новейшие производственные узлы, финансирование заводов становится все труднее, что замедляет дальнейшее развитие технологий. Это приводит к фрагментации компьютерной индустрии на специализированные домены.

Некоторые из этих областей, такие как глубокое обучение, будут в приоритете из-за их размера и пригодности для специализированного оборудования. Однако такие области, как обработка баз данных, хотя и широко используются, могут стать своего рода заводью, поскольку этот тип транзакционных вычислений не поддается специализированным чипам, говорят авторы.Тем не менее, другие области, такие как моделирование климата, слишком малы, чтобы требовать собственного специализированного оборудования, хотя они могут извлечь из этого пользу.

Авторы ожидают, что облачные вычисления в некоторой степени сгладят эффект этих различий, предлагая разнообразную инфраструктуру для небольших и менее обслуживаемых сообществ. Растущая доступность более специализированных облачных ресурсов, таких как графические процессоры, FPGA и, в случае Google, TPU, предполагает, что имущие и неимущие смогут работать на более равных условиях.

Ничто из этого не означает, что процессоры или даже графические процессоры обречены. Хотя авторы не вникали в этот аспект, вполне возможно, что специализированные, полуспециализированные и универсальные вычислительные движки будут интегрированы в один и тот же чип или пакет процессоров. Некоторые производители чипов уже идут по этому пути.

Например, Nvidia внедрила тензорные ядра, собственную специализированную схему для глубокого обучения, в свои графические процессоры поколения Volta. Таким образом, Nvidia смогла предложить платформу, которая обслуживала как традиционные модели суперкомпьютеров, так и приложения глубокого обучения. Точно так же центральные процессоры интегрируются со специализированными логическими блоками для таких вещей, как шифрование/дешифрование, ускорение графики, обработка сигналов и, конечно же, глубокое обучение. Ожидайте, что эта тенденция продолжится.

Полный текст статьи Томпсона и Спанута, безусловно, стоит прочитать. Вы можете скачать его бесплатно здесь.

Подпишитесь на нашу рассылку

Основные моменты, анализ и истории за неделю прямо от нас в вашу почту, и ничего между ними.
Подпишитесь сейчас

Читайте также:

  
• Что такое лаунчер в minecraft pc
  
• Как подготовить Nintendo Switch к продаже
  
• Человек-паук Майлз Моралес PS4 сколько часов геймплея
  
• Файл конфигурации, который нужно открыть
  
• Мне не нужны наличные, она заплатит за все