Những tiền thân tương tự & kỹ thuật số
Hamming mở cuốn lịch sử phần cứng của mình bằng một sự phân biệt: máy tính tương tự (thước trượt, máy tính vi phân) so với máy tính kỹ thuật số (xương Napier, máy tính để bàn). Cả hai dòng phát triển song song; dòng kỹ thuật số cuối cùng thống trị.
Napier (1550–1617)
John Napier phát minh ra lôgarit, điều này cho phép thước trượt — một thiết bị tương tự trong đó chiều dài vật lý đại diện cho giá trị lôgarit. Phép cộng chiều dài = phép nhân các số. Napier cũng thiết kế 'xương Napier': những thanh ngà để hỗ trợ phép nhân. Kỹ thuật số, không nên nhầm lẫn với thước trượt.
Từ Schickert đến Babbage
Wilhelm Schickert (1623) thiết kế một máy cho bốn phép tính cơ bản; nó bị cháy trước khi hoàn thành. Pascal (1623–1662) xây dựng một máy cộng cho việc đánh giá thuế. Leibniz thêm phép nhân & chia nhưng các máy đó không đáng tin cậy.
Charles Babbage (1791–1871) thiết kế máy tính sai phân: một máy để tính các đa thức ở các giá trị cách đều nhau bằng phép cộng liên tiếp, tạo ra các bảng in không có lỗi. Ông chưa bao giờ hoàn thành nó; một đội cha con người Na Uy (Scheutz) đã xây dựng các phiên bản hoạt động. Năm 1992, một đội ở Anh xây dựng máy phân tích của Babbage từ bản vẽ của ông — nó hoạt động.
Máy phân tích của Babbage gần như kiến trúc von Neumann: một kho lưu trữ (bộ nhớ), một xưởng (đơn vị số học), & phân nhánh có điều kiện. Lady Lovelace xuất bản các chương trình đầu tiên cho nó.
Máy tính Rơle đến ENIAC
Kỷ nguyên hiện đại của máy tính bắt đầu với máy tính rơle vào đầu những năm 1940. Hamming theo dõi sự phát triển tốc độ:
| Kỷ nguyên | Công nghệ | Tốc độ | |---|---|---| | Trước 1940 | Máy tính cầm tay | 1/20 ops/sec | | ~1940 | Rơle (Bell Labs) | 1 op/sec | | 1946 | ENIAC (ống chân không) | ~5,000 ops/sec | | 1952 | IBM 701 | ~17,000 ops/sec | | ~1993 | Máy trạm hiện đại | 10⁹ ops/sec |
George Stibitz tại Bell Telephone Laboratories xây dựng máy tính rơle từ các bộ phận của những thiết bị điều hướng súng M9 đã ngừng sử dụng. Hamming đã sử dụng một trong số đó trong nhiều năm. Những máy rơle này không nhanh — khoảng một thao tác mỗi giây — nhưng chúng đáng tin cậy & có thể lập trình được.
ENIAC (1945–1946) chạy ban đầu bằng dây bảng đấu, giống như một máy tính bảng đấu khổ lớn. Nick Metropolis & Dick Clippenger sau đó chuyển đổi nó thành lập trình công tắc thập phân từ các bảng đạn đạo. ENIAC tiêu thụ khoảng 150 kW.
Lập trình nội bộ trở nên thực tế chỉ khi có đủ bộ lưu trữ. Vai trò của Von Neumann là một cố vấn cho Mauchly & Eckert; lập trình nội bộ đã được thảo luận trong đội trước sự tham gia của von Neumann, mặc dù những báo cáo của ông được lưu hành rộng rãi (nhưng không bao giờ được xuất bản chính thức) đã lan truyền các khái niệm này.
Bậc độ lớn của Tốc độ
Tiến trình tốc độ từ máy tính cầm tay đến máy trạm những năm 1990 trải dài hơn mười bậc độ lớn trong khoảng 50 năm.
Nơi Phần cứng Không Thể Đi
Hamming trình bày ba giới hạn vật lý hạn chế tốc độ tối đa mà máy tính có thể chạy cuối cùng. Đây không phải những thách thức kỹ thuật mà sự sáng tạo sẽ khắc phục — chúng là những định luật của vật lý.
Giới hạn 1: Kích thước Phân tử
Các thành phần không thể nhỏ hơn kích thước nguyên tử. Một cổng bóng bán dẫn rộng 10 nguyên tử: đào tạo lượng tử thống trị & bóng bán dẫn ngừng chuyển đổi đáng tin cậy. Đến năm 1993, Hamming ước tính rằng giảm xuống dưới ~100,000 khoảng cách nguyên tử giữa các thiết bị được kết nối (khoảng 3 picosecond của thời gian du hành ánh sáng) đại diện cho một ranh giới vật lý thực sự.
Giới hạn 2: Tốc độ Ánh sáng
Các tín hiệu truyền đi tối đa ở c = 3×10⁸ m/s trong chân không (ít hơn trong dây, khoảng 2×10⁸ m/s). Một chu kỳ đồng hồ 1 GHz là 1 nanosecond; trong 1 ns, ánh sáng di chuyển 30 cm. Một chip phải gửi một tín hiệu trên 15 cm & nhận được một phản hồi trong một chu kỳ đồng hồ đang hoạt động gần giới hạn tốc độ ánh sáng.
Khi tốc độ đồng hồ tăng, kích thước chip phải giảm để giữ thời gian vòng tín hiệu dưới một chu kỳ đồng hồ.
Giới hạn 3: Tản nhiệt
Nhiều thành phần hơn trên một đơn vị diện tích + chuyển đổi nhanh hơn = nhiều nguồn điện hơn trên một đơn vị diện tích = nhiều nhiệt hơn. Nhiệt phải tản hoặc các thành phần sẽ nóng chảy. Đến năm 1993, điện áp hoạt động giảm xuống khoảng 2-3V để giảm năng lượng chuyển đổi. Các lớp kim cương làm tản nhiệt được điều tra. Máy tính có thể đảo ngược (mất mát nhiệt động học) chỉ tồn tại trong lý thuyết.
Ba giới hạn này kết hợp lại giải thích tại sao lợi suất tốc độ bộ xử lý đơn tiến gần đến bão hòa vào những năm 1990 & tại sao sự quan tâm đến kiến trúc song song tăng lên.
Áp dụng Giới hạn Tốc độ Ánh sáng
Một CPU chạy ở 3 GHz. Một chu kỳ đồng hồ = 1/3 ns ≈ 0.333 ns. Tốc độ tín hiệu trong đồng: ~2/3 c ≈ 2×10⁸ m/s.
Những Chuyên gia Có Dự đoán Tồi tệ Nhất
Hamming lưu ý một trong những thất bại dự đoán nổi tiếng nhất trong lịch sử công nghệ: các chuyên gia vào cuối những năm 1940 ước tính thế giới chỉ sẽ cần tối đa ba đến năm máy tính. Tom Watson của IBM được cho là nói hai.
Đến năm 1993, có hàng triệu máy tính đang hoạt động.
Tại sao Chuyên gia Thất bại
Các chuyên gia ngoại suy từ các trường hợp sử dụng hiện tại: tính toán khoa học tại các phòng thí nghiệm quốc gia. Họ không dự đoán sự sáng tạo sản phẩm tương đương: máy tính sẽ không làm những gì con người đã làm, nhanh hơn. Máy tính sẽ cho phép các loại công việc hoàn toàn mới mà trước đây không tồn tại.
Mô hình thất bại: các chuyên gia trong một công nghệ trưởng thành tự tin nhất về những giới hạn của nó & có khả năng sai lầm nhất về những ứng dụng tương lai của nó. Chuyên môn của họ cung cấp cho họ các mô hình chính xác về hiện tại; nó không cung cấp cho họ các mô hình những gì sẽ trở nên có thể.
Kiến trúc Song song
Tốc độ bộ xử lý đơn tiến gần đến bão hòa vào những năm 1990. Phản ứng của ngành: nhiều đơn vị số học, đường dẫn, hệ thống phân cấp bộ nhớ cache, & máy tính song song. Đến năm 1993 không có một kiến trúc song song chiếm ưu thế duy nhất — nhiều thiết kế cạnh tranh với những sự đánh đổi khác nhau & các mô hình lập trình khác nhau. Hamming lưu ý sự phân mảnh này như một vấn đề: không có một tiêu chuẩn, nỗ lực lập trình được chia thành các hệ thống không tương thích.
Tại sao Chuyên gia Dự đoán Sai
Hamming đã coi dự đoán 3-5 máy tính không phải là một sự tò mò mà là một bài học về những giới hạn của kiến thức chuyên gia. Chuyên gia mô hình hóa hiện tại tốt; họ thất bại trên các ứng dụng chưa tồn tại.
Dữ liệu Los Alamos & Phương trình Tăng trưởng
Hamming trích dẫn một biểu đồ được biên soạn bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos (LANL) theo dõi tốc độ của máy tính nhanh nhất trên thị trường tại mỗi thời điểm. Dữ liệu phù hợp với một phương trình hàm mũ: tốc độ xấp xỉ tăng gấp đôi mỗi 18 tháng — sau đó được phổ biến dưới dạng Định luật Moore cho số lượng bóng bán dẫn.
Phương trình LANL: tốc độ(t) = tốc độ₀ × 10^(bt), trong đó b ≈ 0.09 mỗi năm (tăng gấp đôi khoảng mỗi 3.3 năm về thao tác mỗi giây, khác biệt với bóng bán dẫn tăng gấp đôi).
Hamming sử dụng điều này để đưa ra một điểm: hàm mũ không thể tiếp tục vô hạn. Ba giới hạn vật lý đặt một trần nhà. Khi hàm mũ chạm vào trần nhà? Sự chuyển tiếp đó đánh dấu sự kết thúc của kỷ nguyên bộ xử lý đơn.
Đến năm 1993 ngành đã tiến gần đến trần nhà đó, thúc đẩy sự quan tâm đến kiến trúc song song, những mẹo đường dẫn, & hệ thống phân cấp bộ nhớ cache — tất cả những bước nhỏ hướng tới song song hóa thay vì thực thi đơn luồng nhanh hơn.