Quo vadis, IT? - MujMAC.cz - Apple, Mac OS X, Apple iPod

9. srpna 2005, 00.00 | Za poslední léta jsme zažili bouřlivý rozvoj technologií používaných ve výpočetní technice související s rozvojem nanotechnologií. Mnohokrát stoupla hustota integrace, taktovací frekvence procesorů se za deset let zvýšila řádově stokrát, kapacita pevných disků tisíckrát. Existuje nějaká hranice, kdy to dál nepůjde?

Za poslední léta jsme zažili bouřlivý rozvoj technologií používaných ve výpočetní technice související s rozvojem nanotechnologií. Mnohokrát stoupla hustota integrace, taktovací frekvence procesorů se za deset let zvýšila řádově stokrát, kapacita pevných disků tisíckrát. Existuje nějaká hranice, kdy to dál nepůjde?

Určitě, existují jasné fyzikální hranice dané přírodou. A těmi je jednak atomární a molekulární struktura hmoty, ke které když se přiblížíme, tak se začnou nepříjemně projevovat kvantové jevy, jako například tepelný pohyb atomů a Heisenbergův princip neurčitosti, a jednak rychlost světla, která nám nedovolí předávat jakékoliv informace rychleji, než právě touto limitní rychlostí.

Nejnovější procesory a jiné složité integrované obvody jsou dnes vyráběny 65 nm technologií. Pro srovnání - 65 nm je pouhá desetina vlnové délky modrého světla. Nebo jinak - průměrný atom má průměrnou velikost (včetně elektronového obalu) cca 0,1 nm, takže jednu vrstvu daného obvodu tvoří pouhé stovky atomů. Ještě o řád menší hromádka už by nemusela držet pohromadě. A to těch vrstev je nutno na sebe poskládat víc. V dnešních procesorech je obvykle 9 vrstev křemíku se střídající se vodivostí P a N. Na každý tranzistor jsou třeba vrstvy tři, tranzistor může být typu NPN nebo PNP. Procesor PowerPC G5 používaný v dnešních počítačích Apple vyráběný 90 nm technologií obsahuje 58 milionů tranzistorů na ploše 66 čtverečních milimetrů, tedy téměř milion tranzistorů na čtvereční milimetr. Další zvyšování hustoty integrace, řekněme třeba o další řád, už asi nebude možné právě z důvodů fyzikálních limitů.

Trochu podobně to je i s taktovací frekvencí. Při taktu systémové sběrnice 1,5 GHz má 20 cm této sběrnice zpoždění právě jeden takt, což je dáno limitující rychlostí světla. Nehledě na to, že s neustále se zvyšující taktovací frekvencí procesorů získáváme především čím dál výkonnější topení. A v souvislosti s nutným chlazením i hlučnější.

Jak tedy dál zvyšovat výpočetní výkon počítačů?

Asi jedinou možností prozatím je zvyšování počtu procesorů, případně výroba procesorů s více jádry na jednom čipu, a rozdělení výpočetně náročných procesů mezi více procesorů. Což sebou přináší zase jiné problémy. Použití více samostatných procesorů poněkud komplikuje základní desku a je také náročnější na prostor, vícejádrové procesory zase mohou při plném zatížení produkovat v malém prostoru příliš mnoho tepla a může být problém s jejich dostatečně funkčním chlazením. I když údajně nový osmijádrový procesor UltraSPARC pro počítače Sun má mít ztrátový výkon jenom něco přes 50 W, což je velmi přívětivý údaj.

Další problémy se dají čekat od aplikací. Mnoho dnešních programů bude třeba přepsat, aby rozdělily svoje výpočetní nároky mezi více procesorů, existují i procesy, u kterých to nejde vůbec. Naštěstí ale většina profesionálních aplikací pro počítače Apple multiprocesing podporuje díky tomu, že Apple vyrábí dvouprocesorové počítače již pěkných pár let. A nakonec, Power Computing, který měl po nějakou dobu lincencovaný Mac OS, vyráběl v roce 1996 počítač se dvěma procesory PowerPC 604e, o němž hrdě tvrdil, že je to nejvýkonnější počítač pro Photoshop na světě.

Jaké je ale využití většího výpočetního výkonu? Psaní textu, mailů nebo brouzdání po internetu, či přehrávání mp3 příliš velký výpočetní výkon nepotřebuje. Zde si neodpustím malou poznámku. Jsou mezi softwary i určité výjimky, například jsem zjistil, že otevřu-li v MS Wordu větší než desetistránkový dokument obsahující obrázky, grafy, tabulky a hypertexty, běží procesor na plné obrátky bez ohledu na to, zda v tom dokumentu provádím nějaké změny či nikoliv. Ano vážení, Microsoft umí napsat tak skvělou aplikaci, která přesto, že nic neprovádí, tak spotřebuje veškerý výpočetní výkon procesoru. Pravděpodobně proto, aby se ventilátor nenudil, protože takhle ho jinak neroztočí ani remastering DVD. Takže i u některých kancelářských aplikací asi platí, že výkonu není nikdy dost. Ale zpět k věci. Rozhodně bych uvítal, kdyby už zmíněný remastering DVD místo čtyř hodin trval řekněme půl hodiny. Což by chtělo osmkrát výkonnější výpočetní systém. Je to trochu zjednodušené, jde i o velikost RAM a rychlost čtení a zápisu na disk a nejen o procesor, ale vezmeme-li výkon systému jako celku, tak to tak je. A takových aplikací, hlavně pro práci s videem nebo animacemi nebo pro matematické modelování nějakých složitějších dějů, najdete celou fůru.

Pro náročné výpočty v průmyslové a akademické sféře se v současnosti používá paralelní zapojení více počítačů do jednoho výpočetního celku, clusteru. Obvykle se jedná o jednotky normované velikosti pro snadnou montáž do skříní typu RACK, ve které kromě samotných počítačů bývá i diskové pole, switch pro vzájemné propojení jednotek a záložní zdroj. Podobná zařízení vyrábí i Apple pod názvem Xserve. K vzájemnému propojení se používá zvláštních síťových karet, které jsou rychlejší než běžný gigabit ethernet, Apple k těmto jednotkám nabízí Apple Fibre Chanel, který po optických kabelech zvládá přenášet data rychlostí 2 Mb/s obousměrně, ale jsou i jiná řešení od třetích stran, výkonnější a dražší, například Infiniband nebo Myrinet.

Další kapitolou určitých fyzikálních limitů jsou pevné disky. Dnešní pevné disky dosahují měrné kapacity více než 2 MB na čtvereční milimetr (v případě 400 GB na čtyřech plotnách), a myslím, že o mnoho dál už to asi nepůjde. Další limitem v případě pevných disků je rychlost čtení a zápisu, o mnoho rychlejší už to taky asi nebude, je třeba si uvědomit, že se jedná o mechanická zařízení. Řešením pro současnost je diskové pole. I takové nabízí Apple pod názvem Xserve RAID. Jedná se o paralelní zařazení více pevných disků běžných kapacit, kdy se data čtou a ukládají z/na více disků zároveň, čímž se řeší problém kapacity i rychlosti přenosu dat zároveň. Navíc RAID nabízí i další funkce, například automatické zrcadlení nebo zálohování části nebo celého pole na jiné disky, takže se zároveň tímto řeší i nebezpečí ztráty dat. Řešením kapacity i rychlosti pevných disků by možná bylo použití křemíkových čipů stejně jako je to mu u RAM, dnes mají paměti RAM téměř o řád vyšší kapacitu na jednotku plochy, taktéž rychlost čtení a zápisu je mnohem vyšší, cena 1 GB v křemíku je však několiksetkrát vyšší, než cena 1 GB na pevném disku. Opravdu jsem velice zvědav, kam dojdou informační technologie za pár let, a to nejen u Applu. Myslím, že se máme na co těšit, a možná bude všechno docela jinak, než si dneska představujeme.