Перспективы развития персонального компьютера (диплом)

 

Содержание

Введение. 3
1 Общая характеристика современного развития ПК.. 6
1.1 Современный этап развития архитектуры центральных процессоров. 6
1.2 Современный этап развития архитектуры графических процессоров. 14
1.3 Новейшие достижения IT-индустрии в сфере хранения информации. 23
2 Перспективы развития ПК.. 32
2.1 Прогноз развития процессорной и графической подсистем ПК.. 32
2.2 Прогноз развития подсистемы хранения информации. 45
2.3 Компьютерные технологии будущего. 51
Заключение. 58
Глоссарий. 61
Список использованных источников. 64
Приложения. 67

 

Введение

Актуальность исследования. Компьютеры появились достаточно давно, но только в последнее время их начали усиленно использовать во многих отраслях человеческой жизни. Ещё двадцать лет назад персональный компьютер было редкостью. Теперь практически в каждом доме есть персональный компьютер. Развитие вычислительной техники представляет собой постоянно сменяющие друг друга физические способы реализации логических алгоритмов - от механических устройств к ламповым, затем к транзисторным и, наконец, к интегральным схемам.

Сегодня идут разговоры о скором достижении пределов применения полупроводниковых технологий и появлении вычислительных устройств, работающих на совершенно ином принципе. Все это свидетельствует о том, что прогресс не стоит на месте, и с течением времени ученые открывают новые возможности создания вычислительных систем, принципиально отличающихся от широко применяемых компьютеров. Существует несколько возможных альтернатив замены современных компьютеров.

В недалеком будущем все новейшие технологии, применяемые сегодня в довольно узких областях или разработанные пока только на теоретическом уровне, приобретут повсеместное распространение и неизбежно станут частью нашей жизни. В связи с этим специалисты предупреждают, что в изменившихся условиях широкого распространения компьютеров во всех областях деятельности с изменением способа общения человека и компьютера, важно не утратить контроля над усложняющимися кибернетическими системами.

В последнее время появляется большое количество публикаций, как в традиционной прессе, так и в Интернет-изданиях о наступлении новой компьютерной эры. Подобные прогнозы связаны не столько с увеличением объема жесткого диска или тактовой частоты процессора, сколько вообще с самим понятием компьютерной техники,  способами ее функционирования и новыми возможностями, которые раньше с трудом можно было даже представить.

Несколько прогнозов относительно компьютерного будущего человечества сделал глава корпорации Билл Гейтс, выступивший перед Технологическим советом Северной Виргинии (NVTC). Следует отметить, что сколько-нибудь сенсационных прогнозов в докладе названный Human-Computer Interaction in the Year 2020 не содержится. Очень много описываемых тенденций и технологий уже существует – составители лишь проанализировали их и свели вместе.

Итак, по мнению основателя компании Microsoft Билла Гейтса, к 2020 году очень много пользователей будут располагать более чем одним компьютером. Появятся технологии «электронной бумаги», позволяющие складывать дисплей, как обычную газету. Помимо того, существенные изменения претерпят системы ввода информации, которые будут создаваться на основе «естественных пользовательских интерфейсов»[1].

Вызывают, тем не менее, сомнения высказывания Билла Гейтса относительно радикального изменения способов коммуникации человека и компьютера. К примеру, он полагает, что через 12 лет такие привычные атрибуты интерфейса, как клавиатура и мышь, отойдут на второй план, а на их места придут устройства, распознающие голос, жесты и почерк.

Возможность голосовых команд существует и в обычной Windows, как и во многих мобильных телефонах, а более специализированные программы при некоторой тренировке совершенно неплохо справляются со вводом текста. Но немногие пользуются данным, за исключением людей с ограниченными возможностями.

Безусловно, что усовершенствованные системы распознавания образов и жестов найдут широчайшее распространение в системах управления сложными промышленными объектами, машинами и механизмами.

Актуальность исследования определяется тем, что использование новейших достижений компьютерной индустрии – это один из важнейших факторов успешной деятельности любой организации в условиях современной экономики.

Степень научной разработанности темы исследования. Научная разработанность темы исследования не может быть связана с именами конкретных ученых или исследователей, поскольку сама формулировка темы предполагает не научный, а прогностический подход, который не может учесть всех возможных направлений развития IT-индустрии и технических открытий, способных повлиять на эволюцию технологий производства компонентов ПК в мировом масштабе.

Объект исследования. Объектом исследования являются перспективы развития ПК.

Предмет исследования. Предмет исследования включает анализ текущего состояния и перспектив развития различных компонентов ПК.

Целью исследования является изучение состояния и перспективы развития  персонального компьютера (ПК).

В соответствии с целью работы ставим перед собой следующие задачи:

- изучить современный этап развития архитектуры центральных процессоров;  - изучить современный этап развития архитектуры графических процессоров;

- исследовать новейшие достижения IT-индустрии в сфере хранения информации;

- дать прогноз развития процессорной индустрии;

- дать прогноз развития графической подсистемы ПК;

- дать прогноз развития подсистемы хранения информации;

- исследовать компьютерные технологии будущего.

Теоретико-методологическая основа исследования. Теоретико-методологической базой исследования является использование метода сравнительного анализа, а также аналитических материалов крупнейших компаний – производителей аппаратного и программного обеспечения. Эмпирическую базу работы составляют прогнозы признанных авторитетов в области компьютерных технологий, а также отчеты компаний Intel, AMD, NVidia и других.


1 Общая характеристика современного развития ПК

1.1 Современный этап развития архитектуры центральных процессоров


За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них в дополненном и усовершенствованном виде используются и сейчас. Например Intel x86, развившаяся в начале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную x86-64. Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC-архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура) [21, c.133].

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет (AMD) или на подпруживающую конструкцию — LGA (Intel). Особенностью разъёма LGA является то, что выводы перенесены с корпуса процессора на сам разъём — socket, находящийся на материнской плате. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD и IBM. Большинство процессоров, используемых в настоящее время, являются Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и интерфейсы программирования, сходные с используемыми в процессорах компании Intel.

По итогам 2012 года на рынке микропроцессоров для настольных ПК, ноутбуков и серверов доля корпорации Intel составила 83,7 %, доля AMD — 10,2 %, других производителей - 6,1 % [43, c.98] (табл. 1).

Одной из главных тенденций в компьютерной индустрии во все времена ее существования была борьба за увеличение производительности центрального процессора.


Таблица 1 - Показатели распределения мирового рынка микропроцессоров

Год

Intel

AMD

Другие

2008

78,9 %

13,1 %

8,0 %

2009

80,4 %

19,3 %

0,3 %

2010

79,7 %

20,1 %

0,2 %

2011

80,8 %

18,9 %

0,3 %

2012

83,7 %

10,2 %

6,1 %


В 2007 г. корпорация Intel объявила об одном из важнейших прорывов в фундаментальных принципах проектирования транзисторов за последние 40 лет, использовав совершенно новые материалы транзисторов (новое сочетание материала high-k на основе гафния для изготовления изолирующего слоя затвора и металлических материалов для изготовления затвора) для создания нового поколения процессоров Intel Core 2, содержащих сотни миллионов микроскопических 45-нанометровых транзисторов [31, c.25].

Гафний представляет собой металл, который позволяет существенно сократить утечки тока и обладает высоким емкостным сопротивлением, необходимым для обеспечения высокой скорости срабатывания транзистора. Этот материал позволил обеспечивать рекордную производительность процессоров для настольных ПК, ноутбуков и серверов, в также сокращать утечку тока из транзисторов, оптимизируя тем самым конструкцию и размеры процессоров и компьютеров, энергопотребление и затраты.

Эта технология Intel обеспечила более высокую скорость переключения транзисторов, что означает повышение тактовой частоты ядер и системной шины и увеличение производительности без изменения уровня энергопотребления и тепловыделения, что помогло обеспечить дальнейшее выполнение закона Мура, - аксиомы индустрии высоких технологий, согласно которой число транзисторов в микросхемах удваивается каждые два года, что обеспечивает расширение функциональности при экспоненциальном уменьшении стоимости[2].

Прошло совсем немного времени с момента выпуска двухъядерного процессора (рисунок 1), как на рынке ПК уже появились машины на основе четырехядерных процессоров, на подходе шести, восьмиядерные и т.д. процессоры.


Рисунок 1 - Блок-схема двухъядерного процессора AMD


Корпорация Intel впервые представила микроархитектуру Intel Core в 2006 году, реализовав ее в процессорах Core 2 Duo на базе 65-нанометровой производственной технологии. Первое поколение этой микроархитектуры, оптимизированной для многоядерных процессоров, позволило более полно реализовать философию энергосбережения, которая была выбрана для микроархитектуры процессоров для мобильных ПК [27, c.144].

Кроме того, в этой микроархитектуре были использованы различные современные инновации, обеспечивающие рекордное повышение производительности, улучшение энергосбережения и повышение быстродействия при работе в многозадачной среде.

В микроархитектуре Intel Core были реализованы следующие инновации:

1. Технология Wide Dynamic Execution.

2. Технология Intelligent Power Capability.

3. Технология Advanced Smart Cache.

4. Технология Smart Memory Access.

5. Технология Advanced Digital Media Boost.

Например, четырехъядерные процессоры Intel Xeon на базе 65-нанометровой производственной технологии демонстрировали повышение производительности в 2,5 раза по сравнению с серверными решениями предыдущего поколения. Настольные ПК на базе процессора Intel Core 2 Duo обеспечивали повышение производительности до 40% при сокращении энергопотребления. Мобильные ПК на базе процессора Intel Core 2 Duo обеспечивали повышение производительности при работе в многозадачной среде до двух раз и более высокую энергоэкономичность, позволяющую увеличить время автономной работы[3].

Инновации и усовершенствования обеспечивали повышение производительности и сокращение энергопотребления. Во второй половине 2007 года корпорация Intel начала производство следующего поколения процессоров Intel Core 2 под кодовым наименованием «Penryn». Новые процессоры были построены на базе ведущей в отрасли 45-нанометровой производственной технологии с использованием металлических затворов Highk и новейших усовершенствований микроархитектуры.

Дальнейшее развитие микроархитектуры Intel Core стало возможным благодаря огромному успеху революционной микроархитектуры, которая использовалась в процессорах семейства Intel Xeon и Intel Core 2. В двухъядерном процессоре семейства Penryn на базе 45-нанометровой  производственной технологии использовалось более 400 миллионов транзисторов, а в четырехъядерном – более 800 миллионов транзисторов [16, c.9].

При этом процессоры на базе новой микроархитектуры обеспечивали значительное повышение производительности при такой же тактовой частоте, увеличение объема кэш-памяти второго уровня до 50%. Расширенные функции управления питанием позволили достичь абсолютно нового уровня энергосбережения. В процессорах семейства Penryn также использовалось около 50 новых наборов команд Intel Streaming SIMD Extension 4 (Intel SSE4), что обеспечивает повышение производительности мультимедийных приложений и приложений для высокопроизводительных вычислений.

В 2008 году компания Intel выпустила новые двух- и четырехъядерные чипы. Новым флагманом четырехъядерной серии Core 2 Quad стал чип Core 2 Quad Q9650, работающий на частоте три гигагерца. Технология производства этих процессоров основывалась на базе 45-нанометровой производственной технологии. На базе этой новой производственной технологии были использованы архитектурные инновации и усовершенствования, которые ускорили работу программного обеспечения и помогли сократить энергопотребление.

По сравнению с 65-нанометровой производственной технологией 45-нанометровая производственная технология с использованием диэлектриков Hi-k обеспечила следующие преимущества для продукции [25, c.81]:

1. Увеличение плотности размещения транзисторов почти в два раза выше (что позволяет уменьшить размер микросхем или увеличить количество транзисторов).

2. Уменьшение мощности переключения транзисторов примерно на 30%.

3. Увеличение скорости переключения транзисторов более чем на 20% или сокращение утечки мощности более чем в пять раз.

4. Уменьшение утечки мощности из оксида затворов транзисторов более чем в 10 раз, благодаря чему уменьшаются требования к энергопотреблению и увеличивается время автономной работы.

По словам одного из основателей корпорации Intel Г. Мура, использование диэлектриков Hi-k и новых металлических материалов ознаменовало собой крупнейшее изменение в транзисторных технологиях с момента появления МОП-транзисторов с полукристаллическими кремниевыми затворами в конце 60-х годов прошлого века. В дополнение к преимуществам 45-нанометровой производственной технологии Intel с использованием диэлектриков Hi-k, в процессорах семейства Penryn сохранились преимущества энергоэкономичности микроархитектуры Intel Core с двумя важными дополнениями: технологией Deep Power Down и технологией Dynamic Acceleration [21, c.66].

Технология Deep Power Down - это абсолютно новое состояние управления питанием, которое значительно снижает энергопотребление процессора в периоды простоя, в связи с чем внутренняя утечка мощности в транзисторах перестает иметь значение.

Это новейшее состояние «сна» процессора – состояние с самым низким уровнем энергопотребления. В этом состоянии значительно увеличивается время автономной работы ноутбука. Благодаря этой технологии процессоры имеют значительно более низкие показатели энергопотребления по сравнению с энергоэффективными процессорами Merom, относящимися к предыдущему поколению архитектуры Intel Core [27, c.75].

В состоянии Deep Power Down процессор очищает кэш-память, сохраняет состояние микроархитектуры процессора и отключает питание ядер и кэш-памяти второго уровня. В состоянии Deep Power Down набор микросхем продолжает обслуживать трафик памяти для операций ввода/вывода, но не переводит при этом процессор в активное состояние. Когда требуется использовать ресурсы ядра, повышается напряжение, включаются тактовые циклы, перезагружается процессор, восстанавливается состояние микроархитектуры и возобновляется выполнение команд.

Чем глубже состояние сна, тем больше тратится энергии на переход в это состояние и выход из него. Слишком частый переход в состояния глубокого сна может привести к потере энергии. Для предотвращения этого в процессорах Penryn имеется функция автоматического снижения уровня, использующая эвристические механизмы для определения того, оправдывает ли экономия энергии затраты энергии на выключение процессора и его перезапуск. Если это не так, запрос на переход в состояние Deep Power Down понижается до уровня C4, т. е. менее глубокого сна [34, c.357].

В результате достигается экономия энергии, соответствующая вероятному периоду простоя. Для дополнительного увеличения производительности однопоточных приложений корпорация Intel расширила возможности технологии Intel Dynamic Acceleration Technology, доступной в существующих процессорах Intel Core 2 Duo. Эта функция использует энергетический потенциал, освобождающийся в момент, когда одно ядро становится неактивным, для повышения производительности другого ядра, продолжающего работать.

Если одно ядро находится в состоянии C3 или более глубокого сна, часть энергии, обычно используемая этим ядром, может подаваться на активное ядро без превышения при этом температурных спецификаций процессора. Это повышает скорость выполнения однопоточных приложений, увеличивая производительность.

Достижения корпорации Intel в области архитектуры и полупроводниковых технологий основаны на быстрых темпах внедрения инноваций, позволяющих обеспечить прирост производительности процессоров и сокращение их энергопотребления в следующем десятилетии и более отдаленном будущем.

В корпорации Intel такую форму развития называют моделью «тик-так». Каждый «тик» отражает новый этап развития полупроводниковой производственной технологии и усовершенствования в области микроархитектуры. Каждый «так» соответствует созданию совершенно новой микроархитектуры. Цикл повторяется приблизительно каждые два года[4].

Семейство процессоров Penryn на базе 45-нанометровой производственной технологии Intel с использованием металлических затворов Hi-k представляет собой последний «тик» и включает многочисленные инновации микоархитектуры Intel Core.

В 2008 году корпорация Intel представила совершенно новую микроархитектуру под кодовым названием «Nehalem», которая стала новым этапом «так». В этой микроархитектуре для каждой платформы была обеспечена требуемая производительность и реализовано оптимальное соотношение «цена/производительность/энергоэкономичность» с использованием для этого следующих возможностей [41, c.14]:

1. Динамическое управление ядрами процессора, вычислительными потоками, кэш-памятью, интерфейсами и питанием.

2. Возможность обработки четырех команд за один тактовый цикл в микроархитектуре Intel Core (способность микроархитектуры Intel Core регулярно обрабатывать до четырех команд за один тактовый цикл, по сравнению со способностью других процессоров обрабатывать 3 команды за тактовый цикл или менее).

3. Параллельная обработка потоков (технология Intel Hyper-Threading), обеспечивающая повышение производительности и сокращение энергопотребления.

4. Расширение архитектуры с инновационными наборами команд Intel SSE4 и ATA.

5. Высокопроизводительная многоуровневая общая кэш-память.

6. Высокая пропускная способность памяти и системная производительность.

7. Динамическое управление питанием с повышением производительности.

Таким образом, масштабируемость микроархитектуры процессоров Intel обеспечила оптимальное соотношение «цена/производительность/ энергоэкономичность» для каждого сегмента рынка за счет следующих решений:

1. Новая системная архитектура для процессоров и платформ Intel нового поколения.

2. Масштабируемость производительности: от 1 до 16 (и более) потоков и от 1 до 8 (и более) ядер процессоров.

3. Масштабируемые настраиваемые внутрисистемные соединения и интегрированные контроллеры памяти.

4. Высокопроизводительный интегрированный графический процессор для клиентских платформ.


1.2 Современный этап развития архитектуры графических процессоров


На заре развития персональных компьютеров видеокарты выполняли функцию кадрового буфера. То есть изображение формировалось центральным процессором компьютера и программным обеспечением, а карта отвечала лишь за его хранение (в буфере памяти) и вывод с определенной частотой отдельных кадров на монитор. По мере возрастания требований к качеству и реалистичности формируемого изображения, а также к скорости рендеринга отдельных кадров, пришло понимание того факта, что центральный процессор ПК, то есть процессор общего назначения, не в состоянии эффективно решать специфические задачи формирования трехмерного изображения и для этих целей требуется специализированный графический процессор (GPU), который бы занимался исключительно расчетом трехмерного изображения [1].

Современные графические процессоры по сложности не уступают центральным процессорам (процессорам общего назначения), и разница заключается лишь в их специализации, благодаря чему они могут более эффективно справляться с задачей формирования изображения, выводимого на экран монитора.

Как и центральные, графические процессоры характеризуются такими параметрами, как микроархитектура, тактовая частота работы графического ядра и технологический процесс производства. Для графических процессоров есть и специфические характеристики, которые обычно приводятся в технической документации. К примеру, к важнейшим характеристикам графического процессора относится число вершинных (Vertex Pipelines) и пиксельных (Pixel Pipelines) конвейеров [13].

Для построения трехмерного изображения необходимо выполнить целый ряд операций: принять решение, какие объекты вообще должны присутствовать в сцене (видимые и невидимые объекты), определить местоположение вершин, которые


[1] Наступает новая компьютерная эра. Microsoft предсказал будущее пользователей компьютеров до 2020 года [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.sostav.ru/news/2008/04/09/4/

[2] Следующее поколение микроархитектуры Intel Core.-  М., 2013.- С. 11.

[3] Мураховский В. Железо ПК. Новые возможности.- СПб.: Питер, 2013.- С. 145.

[4] Мюллер С. Модернизация и ремонт ПК.- М.: Вильямс, 2013.- С. 112.


Заказать диплом

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить