Analog & Dijital Öncüller
Hamming donanım tarihini şöyle başlattı: analog hesaplama (sürgülü cetvel, diferansiyel analizör) ile dijital hesaplama (Napier kemikleri, masaüstü hesap makineleri) arasındaki ayrım. Her iki hat paralel olarak gelişti; dijital hat sonunda hakim olmak üzere devam etti.
Napier (1550–1617)
John Napier logaritmaları icat etti, bu da sürgülü cetveli mümkün kıldı — fiziksel uzunluğun logaritmik değeri temsil ettiği analog bir cihaz. Uzunlukların eklenmesi = sayıların çarpılması. Napier ayrıca 'Napier Kemikleri'ni tasarladı: çarpma yardımı için fildişi çubuklar. Dijital, ve sürgülü cetvelle karıştırılmamalıdır.
Schickert'ten Babbage'a
Wilhelm Schickert (1623) dört aritmetik işlem için bir makine tasarladı; işlem tamamlanmadan yangında yok oldu. Pascal (1623–1662) vergi değerlendirmesi için bir toplama makinesi inşa etti. Leibniz çarpma & bölme ekledi ama makineler güvenilmezdi.
Charles Babbage (1791–1871) fark makinesi tasarladı: eşit aralıklı değerlerdeki polinomları değerlendirmek, hatasız basılı tablolar üretmek için bir makine. Hiçbir zaman tamamlamadı; Norveçli bir baba-oğul takımı (Scheutz) çalışan versiyonlar inşa etti. 1992'de İngiltere'deki bir takım Babbage'ın analitik makinesini çizimlerinden inşa etti — çalıştı.
Babbage'ın analitik makinesi von Neumann mimarisine yakındı: bir depo (hafıza), bir değirmen (aritmetik birim) & koşullu dallanma. Lady Lovelace bunun için ilk programları yayınladı.
Röle Bilgisayarlarından ENIAC'a
Modern bilgisayar çağı 1940'ların başında röle bilgisayarlarıyla başladı. Hamming hız evrimi izledi:
| Dönem | Teknoloji | Hız | |---|---|---| | 1940 öncesi | El hesap makinesi | 1/20 işlem/saniye | | ~1940 | Röle (Bell Labs) | 1 işlem/saniye | | 1946 | ENIAC (vakum tüpü) | ~5.000 işlem/saniye | | 1952 | IBM 701 | ~17.000 işlem/saniye | | ~1993 | Modern iş istasyonu | 10⁹ işlem/saniye |
George Stibitz Bell Telephone Laboratuvarları'nda hükümden kaldırılan M9 top yöneticilerinin parçalarından röle bilgisayarları inşa etti. Hamming yıllarca birini kullandı. Bu röle makineleri hızlı değildi — saniyede yaklaşık bir işlem — ama güvenilir & programlanabilirdi.
ENIAC (1945–1946) ilk olarak fiş paneli kablolama ile çalıştı, dev bir fiş paneli bilgisayarı gibi. Nick Metropolis & Dick Clippenger daha sonra bunu balistik tablolardan ondalık anahtar programlamasına dönüştürdü. ENIAC yaklaşık 150 kW tüketiyordu.
Dahili programlama yalnızca yeterli depolama alanı varken pratik hale geldi. Von Neumann'ın rolü Mauchly & Eckert'e danışman oldu; dahili programlama takım tarafından von Neumann'ın katılımından önce tartışıldı, ancak yaygın olarak dolaşan (ama hiçbir zaman resmi olarak yayınlanmayan) raporları kavramları yaydı.
Hızdaki Büyüklük Seviyeleri
El hesap makinesinden 1990'lar iş istasyonuna kadarki hız ilerlemesi kabaca 50 yılda on büyüklük seviyesinden fazlasını kaplar.
Donanımın Gidemeyeceği Yerler
Hamming bilgisayarların nihayetinde ne kadar hızlı çalışabileceğini sınırlayan üç fiziksel sınır sundu. Bunlar mühendislik zorlukları değildi — fizik yasalarıydı.
Sınır 1: Moleküler Boyut
Bileşenler atom boyutlarının altına küçülemez. 10 atom genişliğinde transistör kapısı: kuantum tünelleme hakim olmaya başlar & transistör güvenilir bir şekilde anahtarlamayı durdurur. 1993'te Hamming, bağlı cihazlar arasında ~100.000 atom mesafesinin altına (kabaca 3 pikosaniyelik ışık hızı hareketi zamanı) gitmek gerçek bir fiziksel sınırı temsil ettiğini tahmin etti.
Sınır 2: Işık Hızı
Sinyaller boşlukta en fazla c = 3×10⁸ m/s hızında yayılır (telde daha az, kabaca 2×10⁸ m/s). 1 GHz saat döngüsü 1 nanosaniyedir; 1 nanosaniyede ışık 30 cm yolculuk yapabilir. 15 cm yükseklik boyunca sinyal göndermesi & bir saat döngüsü içinde yanıt alması gereken bir çip ışık hızı sınırına yakın çalışır.
Saat hızları arttıkça, sinyal gidiş-dönüş zamanı bir saat döngüsü altında kalması için çip boyutları küçülmelidir.
Sınır 3: Isı Dağılımı
Birim alan başına daha fazla bileşen + daha hızlı anahtarlama = birim alan başına daha fazla güç = daha fazla ısı. Isı dağılması gerekir yoksa bileşenler erir. 1993'te, çalışma voltajları voltajı 2-3V'a düşürmeye doğru düşüyordu anahtarlama gücünü azaltmak için. Elmas katmanları ısı iletkeni olarak araştırılıyordu. Tersine çevrilebilir bilgisayar (termodinamik olarak kayıpsız) yalnızca teoride vardı.
Bu üç sınır toplamda tek işlemci hız kazanımları 1990'lar tarafından doygunluğa yaklaştıkça & paralel mimariler ilgi görmeye başladı nedeni açıklar.
Işık Hızı Sınırını Uygulama
Bir CPU 3 GHz'de çalışır. Bir saat döngüsü = 1/3 ns ≈ 0.333 ns. Bakır içindeki sinyal hızı: ~2/3 c ≈ 2×10⁸ m/s.
Spektaküler Şekilde Yanılmış Uzmanlar
Hamming teknoloji tarihinde en ünlü tahmin başarısızlıklarından birini kaydetti: 1940'ların sonundaki uzmanlar dünyanın en fazla üç ile beş bilgisayara ihtiyaç duyacağını tahmin ettiler. IBM'in Tom Watson'unun iki dediği söylenir.
1993'te, milyonlarca bilgisayar işlemde vardı.
Neden Uzmanlar Başarısız Oldu
Uzmanlar mevcut kullanım durumlarından çıkarım yaptılar: ulusal laboratuvarlarında bilimsel hesaplama. İlgili ürün anlayışını tahmin etmediler: bilgisayarlar insanların zaten yaptıklarını daha hızlı yapmazlardı. Bilgisayarlar önceden hiçbir varoluşu olmayan tamamen yeni çalışma kategorileri mümkün kılacaklardı.
Başarısızlık modeli: olgun bir teknolojideki uzmanlar sınırları hakkında en güvenilir & gelecekteki uygulamaları hakkında yanılmaya en uygun olanlardır. Uzmanlıkları şimdiki zamana ilişkin doğru modeller verir; gelecekte mümkün olacak şeylere ilişkin modeller vermez.
Paralel Mimariler
Tek işlemci hızı 1990'lar tarafından doygunluğa yaklaşıyordu. Endüstri yanıtı: çoklu aritmetik birimler, boru hatları, önbellek hiyerarşileri & kitlesel paralel makineler. 1993'te tek bir baskın paralel mimari yoktu — farklı dengeler ve farklı programlama modelleri ile çok sayıda rekabet eden tasarım vardı. Hamming bu parçalanmayı sorun olarak kaydetti: standart olmadan, programlama çabası uyumsuz sistemler arasında bölünür.
Neden Uzmanlar Yanlış Tahmin Eder
Hamming 3-5 bilgisayar tahminini merak olarak değil, uzman bilgisinin sınırları hakkında bir ders olarak muamele etti. Uzmanlar şimdiki zamanı iyi modeller; henüz mevcut olmayan uygulamalar konusunda başarısız olurlar.
Los Alamos Verileri & Büyüme Denklemi
Hamming Los Alamos Ulusal Laboratuvarı (LANL) tarafından derlenmiş, pazardaki en hızlı bilgisayarın her zaman noktasındaki hızını takip eden bir grafik alıntı yaptı. Veriler bir üstel denklemi takip etti: hız kabaca her 18 ayda iki katına çıktı — daha sonra transistör sayısı için Moore Yasası olarak popülaştırıldı.
LANL denklemi: hız(t) = hız₀ × 10^(bt), burada b ≈ 0.09 yıl başına (işlem başına saniye içinde kabaca her 3.3 yılda iki katına çıkma, transistör sayısı iki katlanmasından ayrı).
Hamming bunu ekstrapolasyon hakkında bir noktayı yapmak için kullandı: üstel sonsuza kadar devam edemez. Üç fiziksel sınır bir tavan belirler. Üstel tavanı ne zaman vurur? Bu geçiş tek işlemci çağının sonunu işaretler.
1993'te endüstri zaten bu tavana yaklaşıyordu, paralel mimarilerin ilgi görmesini, boru hattı çalışmasını & önbellek hiyerarşileri — hepsini tek işlemcili yürütme yerine paralelliğe doğru küçük adımlar sürüyordu.