Ongelma(t): Mihin perustuu tietokoneiden suorituskyky ja sen jatkuva kasvu? Mitkä tekijät rajoittavat suorituskyvyn parantamista ja mitkä niistä ovat ehdottomia? 2012-2013 Lasse Lensu 2
Nykyiset tietokoneet perustuvat lähes yksinomaan integroituihin piireihin, joissa puolijohdetransistorit ohjailevat sähkövarauksia ohjelman tai mikrokoodin logiikan määräämällä tavalla. Integroitujen piirien yksityiskohtien pienentäminen on ollut yksi tärkeimmistä tekijöistä tietokoneen suorituskyvyn parantamisessa. Yksityiskohtien pienentäminen ei ole enää tulevaisuudessa mahdollista nykyisellä tekniikalla. 2012-2013 Lasse Lensu 3
Tietojenkäsittelyn perusteet II Tietokonetekniikan rajoitukset 4
Tietokonetekniikan rajoitukset 5
Tietokonetekniikan rajoitukset Alaoutinen S. 2008 Ikonen L. 2011 Laskeminen käytännössä Mooren laki 6
Laskeminen käytännössä Wilhelm Schickard: ensimmäinen laskin. Gottfried Wilhelm Leibniz: Leibnizin pyörä. Charles Babbage: differentiaalikone, analyyttinen kone. Alan Turing: Church Turingin teesit. John von Neumann: (muistiin) talletettu ohjelma, sarjamuotoinen käsittely. (Laskemisen teoreettiset mallit: Turingin kone, hajasaantikone, osoitinkone.) 7
Wilhelm Schickard: ensimmäinen automaattinen laskin Laskentakello 1623 Napierin sauvat kertolaskuun Välitetyt rattaat yhteen ja vähennyslaskuun An Encyclopedia of the People and Machines that Made Computer History 8
Gottfried Wilhelm Leibniz: Leibnizin pyörä Gottfried Wilhelm Leibniz (1646 1716) Suunnitelma 1673 ja toteutus 1694 Kaikki aritmetiikan perusfunktiot Neliöjuuri yhteenlaskuilla Hammasrattaita ja sylinteri Muistinumero ongelma 9
Charles Babbage: differentiaali /analyyttinen kone Differentiaalikone logaritmien ja trigonometristen funktioiden taulukointiin 1837 analyyttinen kone Ohjelmointi reikäkorteilla +,, *, /, vertailu, neliöjuuri Toistorakenteet, ehdolliset hyppykäskyt 10
Käännekohta: Sähköisen tietokoneen komponentit Transistori (1947) ja integroitu piiri (1958): History of the transistor. Bell System Memorial, 1997. First integrated circuit. Texas Instruments, 1995. 11
Käännekohta: Integroitu piiri tasossa G. E. Moore. No exponential is forever...but we can delay 'forever'. Intel, 2003. 12
Käännekohta: Komponenttien pienentäminen Transistorin skaalaus kertoimella K : A. Bar-Lev. Semiconductor and electronic devices. Prentice-Hall, London, 3rd edition, 1993. 13
Nykytekniikkaa: Neumannin arkkitehtuuri John von Neumann (1903 1957) Tietokoneen arkkitehtuuri pullonkauloineen: Muisti Ohjausyksikkö Aritmeettislooginen yksikkö Akku Wikimedia Commons Syöttö Tulostus 14
Mooren laki The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year.... Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. (Gordon E. Moore) Kohtuullisin kustannuksin samalle piirilevylle mahdutettavien transistorien määrä on kaksinkertaistunut noin kahdessa vuodessa. Moore ennusti trendin vuonna 1965. 15
Mooren laki G.E. Moore. Cramming more components onto integrated circuits. Electronics, 38(8), 1965. 16
Tallennustilan kasvu 17
Tulevaisuus: Komponenttien pienentämisen esteet 18
Tulevaisuus: Komponenttien pienentäminen jatkuu Muistin lähitulevaisuus: Mark Bohr, Silicon Technology for 32 nm and Beyond System-on-Chip Products, IDF2009. 19
Tulevaisuus: Enemmän rinnakkaisuutta 48 suoritinydintä sisältävä koepiiri: http://techresearch.intel.com/articles/tera-scale/1826.htm 20
Uusi käännekohta: Tulevaisuuden tietokone Tulevaisuuden tietokoneen toteutusvaihtoehdot: Mekaniikka Nanoelektroniikka Kemia Kvanttimekaniikka Optiikka Technology roadmap for nanoelectronics. European Communities, Luxembourg, 2nd edition, 2001. 21
Yhteenveto Tietokonetekniikan kehitys on alkanut mekaanisten ja sähköisten laskukoneiden kehityksestä. Nykyiset tietokoneet perustuvat lähes yksinomaan integroituihin piireihin, joissa puolijohdetransistorit ohjailevat sähkövarauksia. Integroitujen piirien yksityiskohtien pienentäminen on yksi tärkeimmistä tekijöistä tietokoneen suorituskyvyn kehittymisessä. Yksityiskohtien pienentämiselle on olemassa esteitä, joista osa on nykytekniikalle ehdottomia. 22