1. Охарактеризуйте, пожалуйста, состояние области науки, в которой вы работаете, каким оно было примерно 20 лет назад? Какие тогда проводились исследования, какие научные результаты явились самыми значительными? Какие из них не потеряли актуальности на сегодняшний день (что осталось в фундаменте здания современной науки)?
2. Охарактеризуйте сегодняшнее состояние той области науки и техники, в которой вы трудитесь. Какие работы последних лет вы считаете самыми главными, имеющими принципиальное значение?
3. На какие рубежи выйдет ваша область науки через 20 лет? Какие кардинальные проблемы, по-вашему, могут быть решены, какие задачи будут волновать исследователей в конце первой четверти XXI века?
Редакция обратилась к ученым и "специалистам" - авторам журнала - с просьбой ответить на короткую анкету "Вчера, сегодня, завтра", имея в виду проблемы науки, ее достижения и перспективы на будущее. (см. "Наука и жизнь" №№ 9,2004г. 12,2004г.и № 1,2005г.). Продолжаем публикацию ответов.
Для людей, работавших в области вычислительной техники, середина 1980-х годов была очень значимым и интересным периодом. То было время больших машин. Но уже появились микропроцессоры. В начале 80-х годов произошел переход на 32-разрядные микропроцессоры, которые производили фирмы "Vax" и "Intel". Микропроцессоры довольно широко применялись, но даже специалисты не представляли, какую революцию произведут они в вычислительной технике. А будущий создатель первых персональных компьютеров, фирма IBM, в то время выпускала в основном большие машины.
Итак, в середине 80-х годов работали большие машины и мини-машины. Очень популярны были машины фирмы DEC. Тогда шла "холодная война", и одним из ее следствий стал интерес к супермашинам Крея и им подобным. Сеймур Крей был гениальным инженером, но его ошибка заключалась в том, что он ориентировался на микросхемы, изготовленные по старой технологии. Она ему была лучше известна, хорошо им просчитана, предсказуема. Крей так и не перешел на большие интегральные схемы. Но на уровне механической интеграции он был гением. Он не интересовался новыми разработками, но возможности старых интеграль ных схем использовал виртуозно. В этом смысле американца можно сравнить с Паганини, который, по преданию, сыграл концерт на одной струне, или с Левшой, подковавшим блоху. А с окончанием "холодной войны" его роль и вовсе сошла на нет.
Что касается технологии микроэлектроники, то на кристалле удавалось разместить 150-200 тыс. транзисторов, то есть до микронных размеров еще не дошли. Первый процессор с элементами размером в микрон и миллионом транзисторов на чипе появился в начале 90-х годов, и это был "Пентиум".
В технологии микросхем мы все время догоняли американцев и пытались сократить отставание, копируя их достижения. Это был не лучший путь, так как развитие технологии шло по экспоненте. Еще в конце 60-х годов Гордон Мур, один из основателей фирмы "Intel", сформулировал эмпирический закон, согласно которому за каждые полтора года количество транзисторов на кристалле микросхемы увеличивается в два раза. И вот уже в течение десятков лет этот закон работает без исключений. Так вот, уменьшив наш разрыв с американцами, скажем с четырех лет до двух, мы так же отставали от них по качеству микросхем, как и на старте.
Совсем другое положение сложилось в области архитектуры машин. Здесь команде, состоявшей из ученых и инженеров Института точной механики и вычислительной техники (ИТМиВТ), которым руководил С. А. Лебедев, удалось значительно обойти американцев и выйти на ведущие позиции в мире. У них была креевская машина с архитектурой "pipeline", или, как называл ее Сергей Алексеевич Лебедев, "водопровод". В ней со сдвигом в несколько тактов происходило наложение операций, благодаря чему машины работали быстрее.
В СССР еще в 1979 году построили машину "Эльбрус" с архитектурой "super scalar" (мы это название произносим на русский манер "суперскаляр"). Эта архитектура характерна тем, что за один такт генерируется несколько команд, и на аппаратном уровне машина сама переставляет и распараллеливает их. К 1985 году мы уже практически создали "суперскаляр" второго поколения. К слову, IBM перешла на процессоры с архитектурой "super scalar" только в начале 90-х годов.
Тогда же стало понятно, что "суперскаляры" наряду с очевидными достоинствами имеют и недостаток. Они были очень сложными по устройству. Ведь машина должна следить, какие команды можно переставить, а какие нельзя. Если идет одна команда, а следом за ней другая, то необходимо проанализировать, чтобы вторая команда не использовала результат предыдущей, и только в этом случае их можно переставить. Причем поскольку мы ставили цель запускать несколько команд за один такт, то и весь этот сложный анализ нужно было проводить в течение одного такта.
И все же архитектура "суперскаляр" оказалась очень успешной, и мы смогли обыграть наших конкурентов из Научно-исследовательского центра электронно-вычислительной техники (НИЦЭВТ). По скорости "Эльбрус" в два раза превосходил самую мощную машину единой серии ЕС-1066, хотя в обеих машинах использовалась одна и та же элементная база.
"Эльбрус" - и это тоже заслуга нашего коллектива из ИТМиВТ - был абсолютно защищенной машиной с той точки зрения, что если бы он работал в сети, то не боялся бы никаких вирусов. А ведь этого до сих пор не удалось достичь нигде - ни у нас, ни на Западе. Такой иммунитет объяснялся тем, что наша машина понимала типы данных, то есть отличала, скажем, адрес от числа. Высокая безопасность упрощала и программирование: программы очень легко отлаживались.
Быстро развивались методы программирования. Программы писали не только на ассемблере; широко использовались языки высокого уровня: Фортран, Алгол-68, PL-1, Паскаль, Симула и многие другие. Еще не появились единоличные лидеры, какими стали языки С++ или Java.
Приходится остановиться и на некоторых не очень светлых страницах истории отечественных ЭВМ. В США, Японии, Великобритании работало множество фирм, создававших технологию, процессоры, машины, и они доказывали преимущества своих достижений в конкурент-ной борьбе. У нас в стране в те годы существовал монополист: НИЦЭВТ. В эту организацию "согнали" основную массу специалистов и заставили копировать разработки компаний IBM и DEC. Это, конечно, была неверная стратегия. На наш институт тоже давили из министерства, требовали, чтобы мы присоединились к НИЦЭВТу. Но С. А. Лебедев категорически отказался, заявив, что будет делать только свои машины - сначала БЭСМ, потом "Эльбрусы". (Кстати, название "Эльбрус" предложил Сергей Алексеевич: в молодости он увлекался альпинизмом, совершал восхождения на Эльбрус.) И он оказался прав. Наши работы по-настоящему продвигали электронно-вычислительную технику не только в СССР, но и в мире.
К сожалению, нас очень подводила микроэлектроника. В Зеленограде на заводе "Ангстрем" обещали сделать процессор для "Эльбруса" с элементами размером 1,25 мкм, но он так и не заработал. Технология была плохая, отсталая, надежность микросхем очень низкая. Те же трудности испытывал и НИЦЭВТ с машинами единой серии. Чтобы машина работала без сбоев, мы резервировали узлы и таким образом обеспечива ли функциональную надежность.
Оглядываясь назад, можно с полной уверенностью сказать, что такого прогресса, какой наблюдался в течение двадцати лет в вычислительной технике, человечество еще не знало в своей истории. Главным событием этого периода стали появление и невиданная экспансия персональных компьютеров, ресурсы которых ныне намного превосходят возможности больших машин того времени. Лишь в памяти остались пишущие машинки, арифмометры, чертежные доски да и многие другие предметы, окружавшие нас и считавшиеся постоянными спутниками человека.
Микропроцессоры, эти крошечные вычислительные машины, работают в технологических установках, в бытовых приборах, на транспорте - проще перечислить области деятельности, где их нет. Кто мог представить подобное?
Сейчас в микроэлектронике появились методы, которые позволяют размещать на кристалле до 1,5 млрд транзисторов. Другими словами, за два десятилетия число транзисторов в микросхемах возросло на четыре порядка. Можно снять шляпу перед технологами! Во-первых, они постоянно уменьшали размеры элементов микросхем, и ныне минимальные размеры структур составляют 0,13 и даже 0,09 мкм. Во-вторых, заметно выросли сами кристаллы - до 200 мм2 (квадрат со сторонами 15 мм), тогда как первые большие интегральные схемы (БИС) изготавливали на кристаллах площадью 25-50 мм2. И если по поводу размеров элементов можно не вдаваться в подробные пояснения, то на значении больших кристаллов стоит чуть остановиться.
Кристаллы для микросхем изготовляют по групповой технологии на круглых кремниевых пластинах (мы между собой называем их "вафлями" за внешнее сходство: кристаллы напоминают квадратные ячейки на поверхности этого кондитерского изделия). Стоимость кристаллов в большей степени зависит не от сложности интегральной схемы (при миллионных объемах выпуска этот параметр существен ного значения не имеет), а от процента выхода годных изделий. Хотя в цехах предприятий микроэлектроники поддерживается идеальная чистота, в воздухе летают отдельные пылинки. Стоит одной из них оказаться на поверхности кристалла, он окажется бракованным. Естественно, чем больше поверхность кристалла, тем больше вероятность, что в число годных он не попадет.
Более того, сейчас уже научились склеивать кристаллы. Берут "вафлю", режут на кристаллы, кладут один на другой, совмещая контактные площадки, и склеивают: получается опять вафля, напоминающая шахматную доску. Благодаря этому обеспечивается хорошая связь с памятью, объем которой достиг фантастических значений.
Немыслимо выросли и тактовые частоты: первые "пентиумы" работали на частотах меньше 1 МГц, а сегодня никого не удивляют частоты в несколько гигагерц.
Основной архитектурой стали суперскаляры. Сменилось уже несколько поколений машин с такой архитектурой, и техника эта очень отточена. Если в первом "Эльбрусе" мы генерировали две команды за такт, то теперь генерируют до четырех команд за такт, хотя это очень трудно и сейчас (но с точки зрения производительности нужно учитывать и то, что тактовая частота выросла во много тысяч раз).
В настоящее время мы переходим на постсуперскалярную архитектуру, или архитектуру широкого командного слова. Ее принципы были заложены в конце 80-х годов в машине "Эльбрус-3". И теперь та сложная функция распараллеливания задач, которую выполняла сама машина аппаратным способом, возложена на программное обеспечение. В 1991 году мы построили такую машину, но не успели ее отладить (вспомните, какое было время). Десять лет спустя подобную философию, которую мы заложили в архитектуру, использовали американцы, создавая Itanium.
Сейчас одни разработчики делают суперскаляры, другие предпочитают архитектуру широкого командного слова, но, как бы то ни было, приоритет в создании обеих архитектур принадлежит нам.
Переложив тяжелую ношу планирования и распараллеливания задач на плечи программного обеспечения, мы столкнулись с новой проблемой. При разработке очередной модели машины для нее создается и своя система команд. Машины оказываются несовместимыми: новая машина "не понимает" двоичных кодов, на которых работала старая. Нужно предпринять какие-то меры, чтобы восстановить "взаимопонимание".
Нашим ответом на такой вызов стало создание технологии двоичной компиляции. Вообще двоичной компиляцией занимались давно, но ее технология всегда была далека от совершенства. Одну часть кодов удавалось переводить, другую - нет. Программы, прежде чем запустить, приходилось подолгу отлаживать.
Новизна нашего подхода заключалась в том, что мы заложили двоичную компиляцию в архитектуру машины, а раньше ее разрабатывали для перевода кодов с одной известной машины на другую. С нашей технологией пользователь не знает, с какой машиной работает. Ему кажется, что это Intel, а на самом деле это "Эльбрус".
Конечно, одним из самых заметных событий прошедших лет стало появление Интернета. Но при всех благах, которыми он обеспечивает пользователей, к сожалению, приходится констатировать, что всемирная паутина превратилась в настоящую помойку, - вирусы просто жить не дают. И поэтому те принципы безопасности, иммунитета от вирусов, которые закладывалась в "Эльбрусы", приобрели особую значимость. Если бы тогда мир пошел по намеченному нами направлению… А сейчас внедрение этой технологии приведет к потере совместимости операционных систем. Добиться совместимости не так и сложно, но в этом случае у неуязвимой машины пропадает иммунитет. Остается один выход: менять весь парк существующих компьютеров и программного обеспечения. Несмотря на миллиардные убытки, которые несет человечество от компьютерных вирусов, такой радикальный шаг вряд ли пока реален. Ведь каждый пользователь в душе надеется, что его минует сия чаша и вирус не тронет его машину. Но вопрос уже обсуждается.
Что касается языков программирования, то произошла их конвергенция. Остались С++, Java, немного используется Фортран. С точки зрения стандартизации это, может быть, и правильно. Но останавливается прогресс. Представьте такую ситуацию: на Земле оставили два языка, скажем английский и китайский. Конечно, людям станет проще общаться. Но ведь в каждом языке есть своя изюминка, свои нюансы, которые на другом языке не выразишь. Например, много интересного было в нашем языке Эль-76, разработанном для "Эльбруса".
За двадцать лет куда более богатыми стали возможности общения человека с машиной. Появилась прекрасная графика (в том числе трехмерная), изменились линии связи. В области связи основной упор делается на развитие беспроводных линий. Например, система Wi-Fi обеспечивает внутри отдельного здания связь между компьютерами и возможность выхода в Интернет. Портативные компьютеры уже оснащают встроенными адаптерами беспроводной связи. В ближайшее время начнется развертывание системы Wi-Max. По масштабам она будет сопоставима с сетью сотовой телефонной связи.
Много внимания уделяется энергопотреблению. Не потому, конечно, что кристалл берет много энергии из электрической сети. Дело в трудностях с его охлаждением. Сейчас рассеиваемая кристаллом мощность приближается к сотне ватт. Однако, принимая во внимание крошечные размеры микросхемы, мы увидим, что плотность выделяемой мощности примерно та же, что и в двигателе реактивного самолета. Там даже проще отводить тепло, поскольку выше градиент температуры (микросхему нельзя нагревать выше 100°С). И теперь конструкторам персональных компьютеров приходится решать проблему, над которой бились создатели больших машин: как охлаждать кристалл. Нынешние вентиляторы шумят, часто ломаются - вообще не очень удобны. И уже появились системы охлаждения для ПК на жидких хладагентах: как в домашних холодильниках.
Делать прогнозы на десятки лет вперед в любой области очень трудно, а в вычислительной технике - многократно труднее, учитывая, какими темпами она развивается. В данном случае можно обратиться к опыту англичан, всего несколько десятков лет назад отменивших средневековый закон, по которому за предсказание погоды можно было лишиться головы: если предсказываешь, значит, можешь влиять, значит, общаешься с нечистой силой.
Но если серьезно, то, конечно, быстродействие будет расти, объемы памяти будут расти. Хотелось бы - и, как я говорил, это вполне реально - обеспечить безопасность вычислений, сделать безопасным Интернет. Кроме очевидных выгод это повысит эффективность работы программистов, поскольку во много раз упростится отладка программ. Машины научатся распознавать информацию. Если в распознавании речи уже достигнуты реальные успехи, то распознавание графических образов пока пребывает в зачаточном состоянии. В идеале машина должна выбрать из движущегося изображения и перевести в закодированный вид такую, скажем, информацию: вот Путин, вот Гинзбург, вот Бабаян, один в синем костюме, другой в сером, третий в джемпере, вот они пожали друг другу руки, повернулись, пошли и т.д. Тогда передавать всю эту информацию можно будет не пикселями, как сейчас, а быстро, в компактном виде.
Ноябрь 2004 года.
*Intel Fellow - самое высокое научное звание в корпорации "Intel". Его носят 42 человека из 85-тысячного коллектива компании. Б. Бабаян стал первым в Европе обладателем такого титула.
