Компьютерная наука и информационные технологии пока еще не испытывают недостатка в высококвалифицированных специалистах, но, несмотря на это, все же приходится признать справедливость сформулированного более полутора столетий назад 101-го афоризма Козьмы Пруткова: «Специалист подобен флюсу: полнота его одностороння». Нетривиально мыслящих людей, способных абстрагироваться от конкретики, от принятых традиций и канонов, а главное, дать обобщенную критическую оценку происходящему и предложить альтернативу, немного, и один из них – Карвер Мид.
Мид вошел в число еще четырнадцати ученых, имена которых за вклад в развитие технологий производства интегральных микросхем в январе 2009 года были внесены в американский национальный зал изобретательской славы National Inventors Hall of Fame. Всего в этом музее представлены результаты новаторской деятельности примерно 400 американцев, полученные ими на протяжении последних двухсот лет.
Своеобразие общественного статуса Мида состоит в том, что он пользуется высочайшим авторитетом в профессиональных кругах, но почти неизвестен широкой публике. Такое положение дало основание еженедельнику Computerworld в 2007 году включить Мида в список «невоспетых инноваторов», незаслуженно забытых ученых и инженеров, много сделавших для становления индустрии, но оставшихся в тени. Впрочем, утверждение о забвении Мида сильно преувеличено, он получил приз Лемельсона-МТИ и награжден Национальной технологической медалью, удостоен рядом других почетных званий и регалий. О Миде иногда вспоминают в связи тем, что это именно он предложил назвать некий закон именем своего коллеги – Гордона Мура, а те, кто знает его истинные достижения, почитают его как автора методики проектирования больших интегральных микросхем. К тому же он удачный предприниматель, основавший 20 компаний. Судя по публикациям, Мид отличается скептическим отношением ко многим устоявшимся ценностям, например, он весьма критично отзывается о прогрессе в физике за последние десятилетия, не менее критично он настроен и по отношению к статус-кво современного компьютинга.
Своеобразие позиции Мида объясняется тем, что он всю жизнь проработал в Калифорнийском технологическом институте, где он был студентом, потом докторантом, а затем получил пост профессора в лаборатории, учрежденной супругами Мур – Гордоном и Бетти. Несмотря на то что институт называется технологическим, здесь ведутся серьезные исследования в фундаментальных науках, прежде всего в физике и биологии. Своей биологической и бионической ориентацией институт заметно отличается от Беркли, Стэнфорда и других крупных университетов Западного побережья. Может быть, именно поэтому, сделав один из самых серьезных вкладов в дело проектирования больших интегральных схем, Мид не заразился сугубо инженерным стилем мышления, а сохранил так необходимые ученому скептицизм и широту взглядов.
Например, Мида интересует кибернетика – его оценка причины неудач искусственного интеллекта поражает своей точностью: «Я верю в то, что отцы-основатели искусственного интеллекта Марвин Минский и Джон Маккарти были правы в своих взглядах, но когда дошло до дела, выяснилось, что им для реализации своих взглядов требуются компьютеры, как минимум на восемь-девять порядков более мощные, чем те, которыми они располагали. Осознав наличие этого барьера, сообщество ИИ распалось на две группы, одни отправились на поиски этих порядков, а другие продолжили делать вид, что они занимаются наукой ИИ. Я из тех, кто пошел на поиски эти восьми-девяти порядков».
«Миру не нужны теории, – писал Мид, – Миру нужно, чтобы делались вещи». В 1965 году он создал первый транзистор на основе арсенида галлия, имевший коммерческий успех, а последующая работа Мида проложила путь к «силиконовому транслятору», породившему волну изобретений в области инструментария для проектирования СБИС.
Самый существенный вклад Мида в развитие технологий СБИС состоит в книге «Введение в проектирование больших интегральных микросхем» (Introduction to VLSI Design), написанной им в 1980 году вместе с Лин Конвей. В отличие от большинства подобных изданий, в ней не обобщается чужой опыт, наоборот, авторами предложена оригинальная методика проектирования, она сломала сложившиеся представления о проектировании чипов, за что работа авторов получила название «революция Мид и Конвей». До этого момента проектирование микросхем было сугубо инженерным процессом, практически полностью совмещенным с производством. Тогда знания о проектировании были по большей части прикладными и не преподавались в университетах. Мид, возможно, первым понял, что сложившаяся ситуация не может сохраняться долго из-за роста числа транзисторов и сложности по закону Мура.
В начале 70-х Мид осознал, что необходимо отделить проектирование от производства и выделить автоматизацию проектирования электроники (Electronic Design Automation, EDA) в самостоятельную дисциплину. В таком случае технологи могут сосредоточить свое внимание на технологическом процессе, на том, как разместить миллиарды транзисторов на подложке, а проектировщики – на том, как объединить эти транзисторы в логические схемы. Совместный труд вместе с Конвей стал бестселлером потому, что демистифицировал процесс проектирования микросхем и был ориентирован на проектировщиков, а не на технологов. С этой книги началось «научное проектирование» больших интегральных схем. Лин Конвей первой прочитала курс в МТИ в 1978 году, позже его стали изучать в университетах по всему миру, и сегодня невозможно даже представить, что когда-то все было не так. Книга была переведена на основные языки мира, но не увидела свет на русском.
Удивительно то, что методика проектирования интегральных схем, предложенная Мидом и Конвей, была попыткой решить не только техническую, но и социальную проблему, она ставила целью создать сообщество инженеров, способных работать по-новому. По сути, речь шла об организации проектирования, которую теперь называют коллаборативным программированием в отрытых кодах, но с поправкой, что кодами в данном случае были не коды программ, а коды на языках, предназначенных для описания схем с последующей компиляцией «в железо». По сути, Мид и Конвей в начале 80-х предвосхитили тот самый «базарный» подход к программированию (the bazaar), о котором через полтора десятка лет напишет Эрик Реймонд в книге «Собор и базар». Статья Конвей The MPC adventures, где детально описана технология создания сообщества в стиле «базар», но в приложении к разработке интегральных схем, не потеряла актуальности и поныне. В ней предлагаются такие вещи, как вовлечение максимально возможного числа участников, разработка и отладка в параллельном режиме, быстрая обратная связь с пользователями (непрерывные сообщения о замеченных ошибках и сделанных улучшениях). Конвей предвидела роль сети в создании коллаборации, хотя на тот момент была только ARPAnet. Но в силу самых разных обстоятельств, объективных и субъективных, этот аппаратный «базар» тогда не мог состояться – прогресс пошел по линии универсальных микропроцессоров и монопольного господства одной-единственной фон-неймановской последовательной схемы, что привело в конечном итоге к концентрации производства процессоров в руках ограниченного числа поставщиков.
Позже Мид отошел от проблем EDA и сосредоточился на задачах аналоговой нейромикроэлектроники. Его младшими коллегами были Миша Маховальд и Родни Дуглас, совместно с которыми ему удалось изготовить аналог живой сетчатки из кремния. На основе этого изобретения можно делать сенсоры для объективов с целью получения изображений фотографического качества. В 1997 году Карвер Мид образовал компанию Foveon, подготовившую еще одну революцию, на этот раз в цифровой фотографии. Для компенсации недостатков обычных сенсоров цифровых камер, не способных различать цвета, при передаче цветовой гаммы приходится прибегать к искусственному разделению цветов с помощью трех светофильтров, что ограничивает информацию, получаемую от пикселя лишь одним цветом. Из-за этого разрешение матрицы снижается, падает светочувствительность сенсоров, а картинка представляет собой трехцветную мозаику. Для восстановления реальной цветовой гаммы изображение обрабатывается специальными алгоритмами, сопоставляющими информацию от соседних элементов. Процессор камеры вынужден выполнять около 100 таких преобразований на каждый пиксель, и часть информации при этом неизбежно теряется. В новом сенсоре используется способность кремния поглощать фотоны с разной длиной волны на различной глубине. В трехслойном «сенсоре X3» каждый пиксель матрицы регистрирует сразу все три цветовые составляющие, но каждую в своем слое. При таком подходе разрешающая способность матрицы возрастает, а качество изображения приближается к тому, как его воспринимает глаз.
Из двух основных составляющих «революции Мид и Конвей» полноценно оказалась реализованной только одна – разделение на CAD и CAM (computer-aided design и computer-aided manufacturing). Включились рыночные механизмы, и эволюция архитектуры чипов пошла совсем иным путем, предсказанного базара не вышло, а вся разработка сосредоточилась в ограниченном числе компаний. За малым исключением все разнообразие аппаратного обеспечения свелось к нескольким типам микропроцессоров, построенных по архитектуре Джона фон Неймана, а использование исключительно двоичной логики монополизировало синхронной режим. В итоге основы, заложенные в сороковые годы, оставались неизменными на протяжении вех последующих лет, наблюдалось преимущественно количественное, а не качественное развитие.
Отвлекшись от стереотипных представлений, нельзя не согласиться с тем, что прогнозируемое сейчас светлое многоядерное будущее выглядит довольно странным. Если все пойдет так, как представляется сегодня, то, благодаря успехам в технологиях, на кристалле будут расположены сотни последовательных ядер-процессоров, работающих под управлением одного тактового генератора, на которые каким-то образом нужно наложить распараллеливаемые приложения. Возникает вопрос, а вообще возможно ли такое параллельное программирование (в его нынешнем понимании), которое способно реализовать вычислительную мощность такой жесткой инфраструктуры? Еще Мид показал, что из-за необходимости обмена данными производительность ядра, построенного по фон-неймановской схеме, при уменьшении размеров транзисторов имеет теоретический предел скорости работы. Не намного изящнее выглядит петафлопное будущее суперкомпьютеров, создаваемых по старинной кластерной схеме, например, машина IBM Sequoia с быстродействием 20 PFLOPS будет содержать 1,6 млн процессорных ядер. В этих системах коэффициент полезного использования транзисторов ничтожен.
Свои критические взгляды Мид изложил в интервью Carver Mead Internview By: Gene Youngblood. И хотя с тех пор кое-что изменилось, высказанные в нем соображения не потеряли актуальность и они кажутся более актуальными, чем тогда.
Мид начинает с утверждения, что следствием педалирования только одной части «революции Мид и Конвей» стал очевидный перекос. Оказалось, что люди, развивающие технологии, слабо разбираются в системах, и наоборот, специалисты по системам не знают технологий. Из-за этой несогласованности доминируют архитектуры, которые Мид называет ветхозаветными: «Наши персональные компьютеры являются достойными образцами технологий, но устаревшими по существу, а суперкомпьютеры «берут грубой силой», не обладая интеллектом». Если говорить об актуальном сегодня распараллеливании, то следует признать, что классические универсальные программируемые компьютеры по своей природе последовательны, при всем желании они не адаптируются к параллельной нагрузке, и все, что можно сделать, – это насильственное решение.
«Я убежден в том, что создание сверхмощных кластеров является разорительным для нашей страны», – пишет Мид. Если уж разорительным для США, то что тогда говорить о России? Мид считает, что достичь мощностей, необходимых для решения задач искусственного интеллекта, идя по магистральному для сегодняшнего дня направлению, невозможно. Выходом может стать переход к тому, что он называет силиконовыми алгоритмами, предполагающими отказ от универсальности компьютеров, в которую мы так долго верили, в пользу непосредственного отображения приложений на кремний, так называемой «кремниевой компиляции». Такая схема одновременно решает и проблему сложности, ограничивающую развитие процессоров, и проблему распараллеливания.
Чтобы выйти на предлагаемый Мидом путь, придется провести кардинальную ломку взглядов, и прежде всего следует признать необходимость объединения микроэлектроники и компьютерной науки. Если развитие пойдет в этом направлении, то оно приведет к пересмотру первооснов всего, что сегодня даже не подвергается сомнению, начиная с идей Алана Тьюринга и Джона фон Неймана. Здесь напрашивается известная аналогия с применением огромных электрических моторов на заводах в XIX веке, когда ими заменили паровые машины, но при этом сохранили трансмиссии, приводившие в движение отдельные станки. Потребовалось несколько десятилетий, чтобы моторами стали снабжать отдельные компоненты технологий. Принцип повсеместного использования универсального программируемого компьютера должен рано или поздно умереть, ему на смену придут компромиссные решения, сочетающие в себе обычные компьютеры, поскольку от опыта, накопленного за десятилетия, отказаться невозможно, с принципиально новыми специализированными контроллерами.
Мид предлагает все множество приложений разделить на два класса. Один класс – те, которые порождены человеком, то есть математические расчеты, работа с текстами, с таблицами и им подобные, это 99% всего того, для чего используются современные компьютеры и имеется прекрасно отработанная школа программирования. Второй класс так или иначе связан с моделированием природных процессов, «натягивание» на него или подгонка под него той же самой последовательной схемы противоестественна – природе присуща параллельность. Все попытки совместить конкурентность природы с последовательной сущностью фон-неймановской схемы лишь еще больше усложняют параллельное программирование.
Суперкомпьютеры преимущественно используются для второго класса приложений, Мид считает, что их невозможно развивать на основе фон-неймановской схемы. Нынешние суперкомпьютеры должны быть заменены специализированными контроллерами, создаваемыми путем непосредственной компиляции алгоритмов в кремний под определенную задачу. Для того чтобы этот метод мог стать реальностью, необходимо решить несколько основных задач. Во-первых, обеспечить более короткие сроки проектирования микросхем – не годы, как сегодня, а недели. Это сокращение может быть обеспечено не только новыми технологиями, но и возвратом к идее «базара», позволяющей вовлечь в процесс проектирования большее число людей. Во-вторых, проектируемые архитектуры должны обладать новыми качествами. Одно из них – возможность отладки в процессе проектирования, другое – способность работать с регулярными структурами данных.
В качестве примера Мид приводит компьютер Silicon Graphics IRIS 1000 (Integrated Raster Imaging System), построенный на процессоре Motorola 68000, который дополнен специализированной геометрической машиной Geometry Engine, представляющей собой первую интегральную микросхему, специально приспособленную для работы с графикой. Впервые такое решение предложил Джим Кларк и его коллеги по Стэнфордскому университету, впоследствии создавшие компанию SGI. Сегодня этот подход развивается в компании ATI, купленной корпорацией AMD, и в nVidia, графические процессоры которых являются прямыми наследниками Geometry Engine. По мнению Мида, задача состоит в том, чтобы научиться быстро и эффективно создавать специализированные процессоры не только для графики, но и для более широкого класса вычислений.
Архитектура фон Неймана, реконфигурируемые компьютерные системы и антимашина
Сегодня конечная цель программирования- получение кода, управляющего универсальным процессором. Однако не исключено, что когда-нибудь программирование будет служить и для создания специализированного аппаратного обеспечения.
Асинхронные процессоры, в которых отсутствует генератор тактовой частоты – это весьма серьезно.
Вторая жизнь асинхронных процессоров
