Ими был придуман еще один вариант персоналки, ничем особо не выделявшийся среди многих других – к тому времени счет на разные конструкции уже перевалил за десяток. Новшество тут заключалось лишь в том, что специалисты крупной фирмы и мыслили масштабно. Они поставили производство персоналок на конвейер, как в свое время сделал Генри Форд со своим автомобилем.
Причем в изделии использовался опять–таки максимум готовых деталей и узлов. Так, процессоры покупались у фирмы «Интелл» в столь больших количествах, что та, в свою очередь, автоматизировала их производство и стала выпускать процессоры всего на одном микрокристалле–чипе.
Программное обеспечение разработчики тоже не стали делать сами, а купили готовую операционную программу у компании «Майкрософт».
Любопытно, что и у самой «Майкрософт» не было в тот момент своей собственной подходящей операционной системы. И Билл Гейтс с компаньонами купили у другой компании основу для разработки вместе с ведущим разработчиком – Тимом Патерсоном. Именно он и стал «отцом» первой серийной операционной системы для персоналки «ИБМПК–2» («ПК–1» в массовое производство не пошла).
Однако Гейтс первым понял, какой замечательный шанс выпал его компании. Он не пожалел ни сил, ни времени, чтобы победить в соревновании с другими фирмами, также предлагавшими «ИБМ» свои программы, и доказать, что MS DOC – наилучшая из них. Доказать, кстати, удалось не сразу, и первые персоналки комплектовались сразу тремя операционными программами на выбор.
И тогда Билл Гейтс пошел ва–банк. Он продал руководству «ИБМ» за относительно небольшие деньги программу MS DOC, так сказать, оптом. С тем чтобы она сразу, еще на заводе устанавливалась на всех компьютерах, которые фирма только сумеет произвести и продать. При этом хитрый Гейтс выговорил себе право при случае продавать эту же программу и другим производителям, которых он сумеет уговорить.
Его расчет на массовость оказался верным. MS DOC победила конкурентов не потому, что она была самой лучшей. Но она была самой дешевой (всего 60 долларов против 180 у конкурентов) и позволяла на эту основу накладывать многие другие аппаратные, прикладные программы.
В итоге «Майкрософт» стала монополистом на рынке программ, где продолжает господствовать и по сию пору. А Билл Гейтс еще недавно был самым богатым человеком в мире – его подкосило лишь судебное преследование его фирмы–монополиста. Ее хотели было принудительно поделить на две или три. Но Билл все–таки отбился, хотя это и стоило ему немалых денег.
Потерпели фиаско и те конструкторы, которые стали предлагать хитроумно сконструированные персональные компьютеры. Так, скажем, конструкторы фирмы «Эппл» выдали «нагора» более усовершенствованную модель «Макинтош» – так, кстати, в США называется один из популярных сортов яблок. Однако они не учли психологии рядового потребителя. Ему далеко не всегда нужна лучшая машина. Ему куда важнее, что она дешева, проста и позволяет самостоятельно устанавливать те программы, которые ему нравятся, какие уже есть у его знакомых. Потому и поныне на «Макинтошах» работает значительно меньше народу, чем на персоналках фирмы «ИБМ».
Впрочем, и в конструкцию «ИБМ ПК–2» были заложены свои собственные неброские решения, которые затем определили всю концепцию развития персоналок. На материнской плате изначально были предусмотрены пустые гнезда для последующего наращивания мощности компьютера, а также возможность легкой замены и модернизации операционной, а также прикладных программ.
Гигантская корпорация «ИБМ», в то время контролировавшая 80% мирового рынка ЭВМ, была настолько уверена в собственных силах, что уже на первом этапе раскрыла все карты и опубликовала полную схему своего детища, предлагая его копировать всем желающим. Таким образом корпорация в какой–то мере предопределила моду и направление дальнейшего развития персональных компьютеров на десятилетия вперед.
И поныне подавляющее большинство персоналок в мире произведено на заводах «ИБМ» и имеет программное обеспечение фирмы «Майкрософт» (только уже не MS DOC, а «Виндоуз» различных модификаций). При этом, однако, каждый пользователь имеет возможность заполучить в свое распоряжение действительно персональный, собранный по его заказу компьютер. Для этого достаточно прийти в магазин со своим собственным списком требований. И вам тут же из готовых узлов и деталей соберут такую (или почти такую) машину, которая будет максимальным образом им отвечать.
Так два монополиста оказались хитрее всех и сумели опередить всех своих конкурентов. А грамотно построенная рекламная кампания привела к тому, что только за один 1981 год в мире было продано 136 тыс. персоналок. И журнал «Тайм» вопреки всем традициям назвал «человеком года» именно персональный компьютер. Издатель журнала Том Мейер тогда объяснил свой выбор так: «Эта машина сделала за прошедший год больше, чем кто–либо из живущих на Земле людей».
Ныне мы привычно пользуемся персональными компьютерами, стоящими почти на каждом рабочем столе, носим в карманах электронные записные книжки и сотовые телефоны. Ныне вроде бы компьютерные монстры вымерли, подобно бронтозаврам.
Ан нет, кое–где и поныне можно увидеть огромные залы, забитые электронной аппаратурой. В них теперь размещаются не просто ЭВМ, но суперкомпьютеры, решающие особо громоздкие задачи, которые не по силам обычным персоналкам.
Прогнозирование погоды, проектирование ракет и самолетов, разработка оптимальных технологических схем для нефтезаводов, решение задач синтеза новых химических соединений, моделирование волновых и взрывных процессов – вот лишь некоторые из задач, которые можно решить лишь с помощью суперкомпьютеров. Добавьте сюда также быстрые расчеты для молекулярной генетики, фармакологии, огромные базы данных в научных центрах и т. д.
В общем, суперкомпьютеры благополучно продолжают существовать, становясь год от года все более мощными и быстродействующими.
Ныне есть следующие пути увеличения быстродействия этих монстров.
За счет дальнейшего изменения параметров микросхем – то есть за счет элементной базы – можно уменьшить их габариты. Электронные лампы и транзисторы давно уж заменены микрочипами. Сегодня один кристаллик микропроцессора может вмещать в себя сотни тысяч, а то и миллионы элементов, для размещения которых ранее требовался целый шкаф. И конструкторам этого все мало. Ныне ведутся разговоры о создании квантовых компьютеров на основе молетроники, когда роль чипов будут выполнять уже отдельные молекулы и атомы. Микроминиатюризация позволяет до предела укоротить пути, по которым движутся электроны, а значит, и повысить быстродействие компьютера.
Важной характеристикой микропроцессора – основного узла, производящего вычисления – является также его тактовая частота. Например, процессор «Пентиум–500» имеет тактовую частоту в 500 МГц. Для сравнения скажем, что самый мощный компьютер 1949 года обладал тактовой частотой в 0,5 МГц, то есть производил 100 арифметических операций в секунду. Современный же суперкомпьютер «Крей С–90» с частотой в 500 МГц может произвести в секунду миллиард арифметических операций, и это далеко не предел.
В общем, тактовая частота нынешних суперкомпьютеров за полвека возросла в 500 раз, а производительность в 10 млн раз! Каким образом? Основной прогресс был достигнут благодаря новым решениям в архитектуре компьютера. Теперь большинство из них решает задачи не последовательно, а параллельно.
Как это происходит, можно пояснить с помощью такого примера. Скажем, одному человеку, для того чтобы вскопать лопатой огород, понадобится 12 часов. Но если создать бригаду из 12 человек, распределить между ними участки, то весь огород может быть вскопан уже через час.
Автор этого наглядного примера – специалист по параллельным вычислениям Владимир Воеводин из Вычислительного центра МГУ лишь сожалеет о том, что далеко не все задачи так легко поддаются распараллеливанию, как вскапывание огорода.
Возьмем, например, изготовление автомобиля на конвейере. Здесь каждый рабочий делает одну–две операции, потом авто продвигается по конвейерной ленте к соседу, который делает свои операции. И так далее, до конца конвейера, с которого съезжает уже готовый автомобиль. Можем ли мы распараллелить все операции и выполнить их одновременно, собрав авто в мгновение ока? Нет, так как сборщики просто будут мешать друг другу. Кроме того, есть операции, которые можно выполнить только тогда, когда будут сделаны предыдущие...
Рабочее место конструктора, имеющее связь с большой ЭВМ
Поэтому большинство современных компьютеров все же работают по конвейерному принципу, последовательно выполняя заложенные в программу операции. И увеличить производительность можно, лишь последовательно загружая в ЭВМ ряд однотипных задач, которые она будет решать одну за другой точно так же, как на конвейере одновременно, но последовательно собирается сразу добрая сотня автомобилей.
Тем не менее мы можем все же увеличить скорость сборки, если подключим к главному конвейеру несколько вспомогательных, на которых будем собирать из деталей целые узлы авто. Например, на главный конвейер будем поставлять уже собранный мотор, коробку передач, диски колес с накачанными шинами и т. д.
Примерно так стали поступать и создатели суперкомпьютеров. Так, скажем, конструкторы фирмы «ИБМ» в свое время оснастили свой компьютер! шестью дополнительными устройствами ввода–вывода информации, позволившими значительно увеличить производительность основного процессора.
Затем пришла очередь модернизации самого процессора. Его память была разбита на два уровня, предусмотрен опережающий просмотр команд и т. д.
Следующий шаг сделали ученые Манчестерского университета, предложившие в 1963 году многопрограммную операционную систему, которая позволила выполнять несколько программ одновременно, автоматически регулируя, какую из них наиболее рационально выполнять в данный момент.
В середине 60–х годов взошла звезда американского конструктора Сеймура Крея. Он был первым, кто начал конструировать суперкомпьютеры повышенной мощности и быстродействия, внедряя однотипные, взаимосвязанные между собой компьютерные блоки. Управлялись они с помощью так называемых векторных команд. Таким образом, удавалось одновременно на одной машине обрабатывать сразу целые массивы данных.
У нас, как мы уже рассказывали, подобные работы велись под руководством А. С. Лебедева, В. М. Глушкова, М. А. Карцева и других.
Узкое место параллелизма, как уже говорилось, – трудности, с которыми сталкиваются математики, пытаясь разбить тут или иную задачу на несколько менее сложных, которые можно было бы решать независимо друг от друга.
На практике чаще всего оказывается, что решения отдельных частей общей задачи зависят друг от друга, поэтому то и дело приходится использовать промежуточные данные вычислений. Словом, получается, что отдельные процессоры обязательно должны в ходе работы общаться друг с другом, обмениваться данными и результатами вычислений. А это резко усложняет и архитектуру и конструкцию суперЭВМ.
Над всеми параллельными вычислениями дамокловым мечом висит закон Андала. Он определяет, какого максимального ускорения можно достичь для данного числа параллельных процессоров в зависимости от доли последовательных операций в алгоритме.
Скажем, нам нужно сложить все числа от 1 до 99. Если выполнять эти операции последовательно, нужно 99 операций сложения. Если же мы сначала разобьем числа по парам, а потом каждую суммированную пару подадим на один из процессоров параллельного компьютера, то при одновременном сложении потребуется всего 7 таких операций. И они займут куда меньше времени.
Иначе говоря, ограничения, который вносит закон Андала, выглядят так. Если в программе 90 операций выполняется параллельно, а только 10 последовательно, то при любом количестве параллельных процессоров нельзя достичь ускорения большего, чем в десять раз.
Таким образом, получается, что использовать мощные машины можно лишь в том случае, когда тщательно подготовлен алгоритм параллельного решения задачи.
И тут выясняется, что в мире существует сравнительно немного задач, которые можно так глубоко распараллелить, чтобы для их решения можно было использовать огромные суперЭВМ со множеством параллельных процессоров.
Большую же часть задач при грамотном подходе вполне можно решать на суперкомпьютерах с небольшим или средним числом параллельных процессоров.
И здесь свое веское слово сказали наши специалисты. Во всем мире их уважают за умение создавать такие алгоритмы решения тех или иных конкретных задач, которые позволяют существенно экономить ресурсы машинного времени, использовать ЭВМ меньшей мощности.
Например, в лаборатории параллельных технологий Вычислительного центра МГУ разработан проект «параллель.ру», который авторы называют «прообразом центра компетенций по параллельным вычислениям». Говоря проще, с помощью Интернета любой пользователь может не только ознакомиться с базой данных по параллельным вычислениям во всем мире, но и получить доступ со своей задачей непосредственно к самому суперкомпьютеру МГУ. Руководитель лаборатории Владимир Воеводин даже завлекает всех желающих посчитать на своем кластере.
Несмотря на то что сама машина по меркам суперкомпьютерного мира невелика, ее программное обеспечение позволяет совершенствовать и отлаживать программы распараллеливания тех или иных задач, поддерживая таким образом сообщество ученых, использующих суперкомпьютеры в своей работе. Именно так повышается культура общения с большими ЭВМ.
Чтобы не стрелять из пушек по воробьям, наши конструкторы предлагают создать сразу линейку суперкомпьютеров малого, среднего и большого классов, способных взаимодействовать друг с другом. Так работала в свое время Единая «система ЭВМ, позволявшая для каждой задачи подбирать оптимальный компьютер.