ანალოგური და ციფრული წინამორბეები
ჰამინგმა თავისი აპარატის ისტორია განასხვავებით დაიწყო: ანალოგური გამოთვლა (სლაიდის წესი, დიფერენციალური ანალიზატორი) ციფრული გამოთვლის წინააღმდეგ (ნაპიერის ძვლები, სამუშაო ოქმის კალკულატორი). ორივე ხაზი პარალელურად განვითარდა; ციფრული ხაზი საბოლოო ჯამში დამინდომ გახდა.
ნაპიერი (1550–1617)
ჯন ნაპიერმა გამოიგონა ლოგარითმები, რომლებმაც შესაძლებელი გახადეს სლაიდის წესი — ანალოგური მოწყობილობა, სადაც ფიზიკური სიგრძე წარმოადგენს ლოგარითმული მნიშვნელობას. სიგრძის დამატება = რიცხვების გამრავლება. ნაპიერმა ასევე შექმნა 'ნაპიერის ძვლები': სპილოს ძვლის მიდამოები გამრავლების დასახმარებლად. ციფრული, არ უნდა აგვერიოს სლაიდის წესთან.
შიკარდტიდან ბაბეჯამდე
ვილჰელმ შიკარდტმა (1623) დაპროექტა მანქანა ოთხი არითმეტიკული ოპერაციისთვის; იგი წაბლეს დასრულებამდე. პასკალმა (1623–1662) ააშენა დამატების მანქანა ბეგალტი შეფასებისთვის. ლაიბნიცმა დამატო გამრავლება და გაყოფა, მაგრამ მანქანები არასანდო იყო.
ჩარლз ბაბეჯმა (1791–1871) დაპროექტა განსხვავების ძრავი: მანქანა პოლინომებს თანაბრად დაშორებული მნიშვნელობებში შესაფასებლად თანმიმდევრული შეკრების გამოყენებით, შეცდომის გარეშე დაბეჭდილი ცხრილების წარმოებით. მან მას არასოდეს დაასრულა; ნორვეგიელი მამა-შვილი (შეუცცი) აშენებული სამუშაო ვერსიები. 1992 წელს ინგლისის ჯგუფმა აშენა ბაბეჯის ანალიტიკური ძრავი მის ნახაზებიდან — იგი მუშაობდა.
ბაბეჯის ანალიტიკური ძრავი ფონ ნეუმანის არქიტექტურის ახლოს იყო: ხაზინა (მეხსიერება), წელი (არითმეტიკული ერთეული), და პირობითი დიაგრამა. ლეიდი ლოვლეისი პირველი პროგრამებს გამოაქვეყნა მისთვის.
რელე კომპიუტერები ENIAC-მდე
თანამედროვე კომპიუტერული ერის დასაწყისი 1940-იანი წლების დასაწყისში რელე კომპიუტერებით ოფიციალიზდა. ჰამინგმა მიკვლა სიჩქარის ევოლუცია:
| ერა | ტექნოლოგია | სიჩქარე | |---|---|---| | 1940-მდე | ხელის კალკულატორი | 1/20 ops/sec | | ~1940 | რელე (Bell Labs) | 1 op/sec | | 1946 | ENIAC (ვაკუუმის მილი) | ~5,000 ops/sec | | 1952 | IBM 701 | ~17,000 ops/sec | | ~1993 | თანამედროვე სამუშაო სადგური | 10⁹ ops/sec |
ჯორჯ სტიბიც ბელ ტელეფონის ლაბორატორიაში აშენა რელე კომპიუტერი M9 სარაკეტო სამეთაურო დემოლარებიდან. ჰამინგმა მრავალი წელი გამოიყენა ერთი. ეს რელე მანქანები არ იყო სწრაფი — დაახლოებით ერთი ოპერაცია წამში — მაგრამ ისინი იყვნენ საიმედო და პროგრამირებადი.
ENIAC (1945–1946) პირველ რიგში სპილოს ფიქსირებული მავთულით, დიდი მნიშვნელობის კომპიუტერის მსგავსი. ნიკ მეტროპოლისმა და დიკ კლიპენჯერმა მოგვიანებით ის ბალისტიკური ცხრილებიდან ათწილადი გადამრთველი პროგრამირებით გადაიყვანეს. ENIAC მოხმარდა დაახლოებით 150 კვ.
შიდა პროგრამირება პრაქტიკული გახდა მხოლოდ მაშინ, როდესაც დამკმარი სადაზღვევო სახელმწიფო. ფონ ნეუმანის როლი იყო კონსულტანტი მაუხლი და ეკერტის თემისთვის; შიდა პროგრამირება განიხილეს გუნდის წევრებმა ფონ ნეუმანის ჩართვამდე, თუმცა მისი ფართოდ გავრცელებული (მაგრამ ოფიციალურად არასოდეს გამოქვეყნებული) ანგარიშები გავრცელებული კონცეფციები.
სიჩქარის დიდი რიგები
სიჩქარის პროგრესია ხელის კალკულატორიდან 1990-იანი წლების სამუშაო სადგურამდე მოიცავს მეტ ათი რიგის სიდიდეს დაახლოებით 50 წელში.
სად აპარატი ვერ მიდის
ჰამინგმა წარმოადგინა სამი ფიზიკური ზღვარი, რომელიც შემოიფარგლება იმით, თუ რამდენი სიჩქარით შეუძლია კომპიუტერებს საბოლოო ჯამში დაბერთ. ეს არ იყო ინჟინერული გამოწვევები, რომელიც აღმოფხვრელი ხელოვნება გადალახავდა — ისინი იყვნენ ფიზიკის კანონი.
ზღვარი 1: მოლეკულური ზომა
კომპონენტები ვერ შემცირდებიან ატომური ზომებზე ქვემოთ. ტრანზისტორის კარი 10 ატომი სიგანე: კვანტური ტუნელირება დომინირებს და ტრანზისტორი წყვეტს საიმედოდ გადამრთველი. 1993 წელს ჰამინგმა აფასა, რომ ~100,000 ატომების მანძილზე დაშორებული ინტერკონექტირებული მოწყობილობების ქვემოთ (დაახლოებით 3 პიკოწამი სინათლის მოგზაურობის დრო) წარმოადგენდა ნამდვილ ფიზიკურ საზღვარს.
ზღვარი 2: სინათლის სიჩქარე
სიგნალები ვრცელდება ყველაზე მეტი c = 3×10⁸ m/s-ზე ვაკუუმში (ნაკლები მავთულში, დაახლოებით 2×10⁸ m/s). 1 GHz საათის ციკლი 1 ნანოწამი; 1 ns-ში, სინათლე მოგზაურობს 30 სმ. ჩიპი, რომელმაც უნდა გაილახოს სიგნალი 15 სმ-ზე და მიიღოს პასუხი ერთი საათის ციკლის ფარგლებში, მუშაობს სინათლის სიჩქარის ზღვარის ახლოს.
საათის სიჩქარის მატებასთან ერთად, ჩიპის ზომები უნდა შემცირდეს, რათა სიგნალის ორმხრივი დრო დაბალი გახდეს ერთი საათის პერიოდზე.
ზღვარი 3: სითბოს დისიპაცია
მეტი კომპონენტი ერთეულ ზედაპირზე + სწრაფი გადამრთვლება = მეტი ძალა ერთეულ ზედაპირზე = მეტი სითბო. სითბო უნდა დისიპირდეს ან კომპონენტი დნება. 1993 წელს, საკსიო ძაბვა იკლებოდა 2-3V-მდე გადამრთვლელი ძალის შესამცირებლად. ბრილიანტის ფენები როგორც სითბოს დირიჟორები გამოიკვლებოდა. შენახვადი კომპიუტერი (თერმოდინამიკურად წაბლე) არსებობდა მხოლოდ თეორიაში.
ეს სამი ზღვარი კოლექტიურად ხსნის, რატომ ერთი პროცესორის სიჩქარის მოგებული 1990-იანი წლებში უახლოვდებოდა დაკორნიზებას და რატომ ზრდილი პარალელურ არქიტექტურაში.
სინათლის სიჩქარის ზღვარის გამოყენება
CPU მუშაობს 3 GHz-ზე. ერთი საათის ციკლი = 1/3 ns ≈ 0.333 ns. სიგნალის სიჩქარე სპილოში: ~2/3 c ≈ 2×10⁸ m/s.
ექსპერტები, რომლებიც შავად ირჩნენ
ჰამინგმა აღნიშნა 1940-იანი წლების გვიანებით ერთ უდიდეს პროგნოზის მოუცემელი ტექნოლოგიის ისტორია: ექსპერტებმა შეაფასეს, რომ მსოფლიოს სჭირდებოდა მაქსიმუმ სამი-ხუთი კომპიუტერი. IBM-ის ტომ უოტსონმა თქვა ორი.
1993 წელს მილიონობით კომპიუტერი იყო მოქმედებაში.
რატომ ექსპერტები ვერ შენიშნეს
ექსპერტებმა ხელი შეუშვეს მიმდინარე გამოყენების შემთხვევებიდან: სამეცნიერო გამოთვლა ეროვნული ლაბორატორიებში. მათ არ მოელოდნენ ეკვივალენტური პროდუქტის ხელმისაწვდომელი: კომპიუტერი არ აკეთებდნენ რაც ადამიანი უკვე გააკეთა, სწრაფად. კომპიუტერი გამოუყოს ახლად განსხვავებული სამუშაოს კატეგორიების სახით, რომელიც ადრე არ არსებობდა.
ქცევის ტყუილი: წაკიდული ტექნოლოგიის ექსპერტი ყველაზე დარწმუნებული მისი საზღვრების შესახებ და ყველაზე სავარაუდოდ, რომ ის ცდებოდეს მისი მომავლის განაცხადების შესახებ. მათი უნარი აძლევთ მათ ზუსტი მოდელი თანამედროვეთის; ის არ აძლევთ მათ მოდელი, რა ხდება შესაძლებელი.
პარალელური არქიტექტურა
ერთი პროცესორის სიჩქარე უახლოვდებოდა მეყობას 1990-იანი წლებში. ინდუსტრიის პასუხი: მრავალი არითმეტიკული ერთეული, მილები, სახსოვო იერარქია, და ზღვრულად პარალელური მანქანა. 1993 წელს არ იყო ერთი გამორჩეული პარალელური არქიტექტურა — მრავალი კონკურენტული დიზაინი განსხვავებული სავაჭრო შედეგებით და განსხვავებული პროგრამირების მოდელი. ჰამინგმა ნიშნა ეს ფრაგმენტაცია, როგორც პრობლემა: სტანდარტის გარეშე, პროგრამირება ძალა მოიშორებოდა უთავსებელი სისტემების მხარეს.
რატომ პროგნოზი ექსპერტი ცდომილი
ჰამინგმა გამოკიდა 3-5 კომპიუტერის პროგნოზი არა, როგორც სკანდალი, არამედ, როგორც გაკვეთილი ექსპერტის ცოდნის საზღვრების შესახებ. ექსპერტი მოდელი თანამედროვე კარგად; მათ შეფასება აკეთებენ პროგრამებს, რომელიც უკვე არ არსებობს.
Los Alamos მონაცემი და ზრდის განტოლება
ჰამინგმა აღმოაჩინა ჩარტი, რომელიც კომპილირებული Los Alamos National Laboratory (LANL) მიერ ტრეკი მხარდამჭერი ბილეთი ყველაზე სწრაფი კომპიუტერი ბაზარზე თითოეულ წერტილი დროის. მონაცემი შესაფერი ექსპონენციალური განტოლება: სიჩქარე დაახლოებით გაორკეცდა ყოველი 18 თვე — მოგვიანებით პოპულარული როგორც მურის კანონი ტრანზისტორი ოდენობა.
LANL განტოლება: სიჩქარე(t) = სიჩქარე₀ × 10^(bt), სადაც b ≈ 0.09 წელიწადში (გაორკეცდა დაახლოებით ყოველი 3.3 წელი საქმე წამში წმ, განსაზღვრული ტრანზისტორი ოდენობა გაორკეცდა).
ჰამინგმა გამოიყენა ეს გაკვეთილი ექსტრაპოლაციის შესახებ: ექსპონენციალური ვერ შეცვლა უსასრულო. სამი ფიზიკური ზღვარი დადგა სამოთხე. როდის ექსპონენციალური შეწუხებული სამოთხე? ის გადაკვეთა მონიშვნება სამოთხე ერთი პროცესორი ერა.
1993 წელს ინდუსტრია უკვე უახლოვდებოდა იმ სამოთხე, მდეგი ინტერესი პარალელური არქიტექტურა, მილი ხაკი, და სახსოვო იერარქია — მხოლოდ პატარა ნაბიჯი კილოვატი პარალელი ხოლო უფრო სწრაფი ერთი-threaded შემცვლელი.