Вычислительная техника дошла до предела скорости. Что дальше?
Постоянно натыкаюсь на интервью экономистов, которые с надутым видом рассуждают о невиданных горизонтах цифровой экономики и повсеместного блокчейна на основе дальнейшего развития скорости обработки информации. Так как не только экономисты, но и образованные ширнармассы повсеместно верят в закон Мура, то хотелось бы по этому поводу высказаться.
Изначально закон Мура (закон, кстати, сугубо эмпирический) говорил, что число элементов в схемах электронно-вычислительной техники удваивается за два года. Потом на него стали ссылаться уже для скорости ЭВМ - за два года промышленность выпускала новые процессоры со скоростью работы в две раза выше. Закон Мура работал примерно 50 лет (скорость обработки росла даже немного быстрее), но примерно 10 лет назад начала утыкаться в потолок.
Во времена буйства закона Мура происходило очень быстрое моральное старение техники и программных средств. Действительно, если за два года скорость увеличивается в два раза, то за 10 лет - в 32 раза, и хотя большинство персональных компьютеров 10-летний срок выдерживало, их все равно приходилось выбрасывать - актуальные программы на них уже не шли.
Наибольший прогресс в производительности процессоров был связан с повышением тактовой частоты. Например, в начале 90х процессор IBM PC XT работал на частоте от 4 до 10 мегагерц, тогда как примерно в 2010 году процессоры работали на частоте 4-10 гигагерц.
Реально повышение производительности было не в тысячу раз, а больше, так как за это время произошли еще и другие улучшения:
- Снижение числа тактов на операцию. В IBM PC XT на одну операцию уходило от 4 до 209 тактов, тогда как уже довольно давно процессоры выполняют все команды за один такт. Следовательно этот ресурс исчерпан.
- Увеличение разрядности. IBM PC XT был 8-битный (однобайтный), и для операций с числами длиной в 2 и 4 байта они «разрезались» на байты, далее происходили побайтовые операции и склейка с добавлением «разрядов переполнения», те, которые при сложении в столбик «на ум пошли». Сейчас персональные компьютеры четырехбайтовые и восьмибайтовые (сейчас используется термины x32 и x64), то есть разность в их скорости только при обработке очень длинных 8-байтовых чисел. Реально они используются очень редко, числа большей длины - нездоровая экзотика, то есть этот ресурс исчерпан,
- Многоядерность и распараллеливание. Современные процессоры, на самом деле, обычно содержат несколько ядер, обычно около 4, то есть реально там 4 одинаковых процессора, которые могут одновременно параллельно что-то считать.
В результате с начала 90х к 2010 производительность взросла не в тысячу, а под 100 тысяч раз.
Однако и с наращиванием тактовой частоты наступил облом. Как это не смешно, но для дальнейшего повышения тактовой частоты слишком малой оказывается скорость света. На частоте 10 гигагерц длина волны - 30 см, при дальнейшем увеличении длина волны оказывается близкой к размеру процессора и не удается согласовать работу отдельных его частей.
Таким образом единственным ресурсом остается увеличение числа процессоров. Современные суперкомпьютеры - это кластеры с огромным количеством однотипных процессоров. Однако тут тоже не все так замечательно.
Есть задачи, которые хорошо распараллеливаются, но их не так много. Для распараллеливания нужно вначале проанализировать структуру программы (на что тоже нужны вычислительные ресурсы), выделить независимые куски… В результате для большинства задач 4х-ядерный процессор работает в лучшем случае в 2 раза быстрее одноядерного.
Поэтому (при имеющихся технологиях) никаких значительных увеличений вычислитеьной мощности ожидать не приходится, что обидно, так как есть задачи, которым мощности современных компьютеров совершенно не хватает. Например, это - УЗИ-томография.
При компьютерной томографии из большого количества снимков полупрозрачного тела, сделанных с разных сторон, делается трехмерное описание объекта, а потом его «раскладывают» послойно. Сделать это удается за счет того, что для рентгеновских волн и магнитного поля человеческое тело - почти прозрачный объект, и поглощение и рассеивание невелико. Для УЗИ же, напротив, человеческое тело сильно рассеивает и поглощает волны, поэтому сделать нормальный УЗИ-томограф не получается. А жаль, он бы давал информации много больше, чем современные типы томографа.
Итак, потолок технологии достигнут, и можно считать, во что это обходится. И вот тут становится грустно - по имеющимся оценкам на компьютеры сейчас расходуется около трети вырабатываемой энергии. Здесь все очень похоже на человека, у которого мозг потребляет около 30% энергии - большие мозги мы бы просто не прокормили!
И вот тут я хотел бы проехаться по двум модным направлениям в современных IT-технологиях - «бигдата» и «блокчейн».
Идей «бигдата» состоит в том, что если накапливать все доступные сведения о человеке, то его поведение становится более предсказуемым. Основных недостатков у этой технологии два:
- До какой степени поведение предсказуемо?
- Ну предсказываете вы поведение, и нахрена вам это надо?
По первому пункту «эксперты» очень любят высказываться, что уже сейчас они по трем кликам мышкой могут рассказать о человеке все, так что это круто, в это выгодно вкладываться а вот мой Яндекс-кошелек. Ага, ну-ну. Знаем мы эти сетевые технологии «как заработать миллион» еще по гербалайфу.
Что касается «а на хрена», то все, что пока сумели придумать - это более целенаправленно давать контекстную рекламу. Но скажи, никнейм, часто ли ты реально покупаешь что-то из того, что тебе показывает эта самая реклама? Или у тебя вообще баннерорезка стоит?
Второе направление - «блокчейн», распределенное хранение информации о транзакциях (операциях с данными), и ее апофегей - криптовалюты. Кстати об эффективности майнания криптовалют - 80 процентов всей намайненой криптовалюты намайнили китайцы. Они же для этого специализированные процессоры делают, им и биткоины в руки.
Итак - треть электроэнергии идет на компьютеры. Запружены реки, стоят огромные электростанции. В АЭС выжигается уран. В ТЭЦ сжигается газ и нефть. Всюду стоят огромные уродливые ветряки. И треть всего этого - на то, чтобы дать нам контекстную рекламу или чтобы китайцы намайнили биткоинов. Ни у какая польза от этих биткоинов?
В результате мы видим, что уже сейчас значительная часть невосполнимых энергетических ресурсов тратится на фуфло, а дальше, по мере расширения дата-центров, все большая доля ресурсов будет уходит в трубу.
UPD Давайте немного уточню данные. Я делал прикидки несколько лет назад для лекции и приводил цифры по памяти
а) 30 см - длина волны для 1 Ггц
б) Характерная тактовая частота процессоров 2010 года - оголо 1 Ггц
Так что тогда уперлись в потолок, что длина волны становится сопоставимой с размером присталла в несколько сантиметров, вот с тех пор и набрали по частоте совсем немного
Также должен высказать свое удивление. Некоторые из читателей, заметившие ошибку, высказались по этому поводу не в хамской манере. Определенно я недооценивал человечество.
В верхнее тематическое оглавление
Тематическое оглавление (Идеологические размышлизмы)