Principy počítačů I – Perspektivní technologie, měření výkonnosti a spolehlivost ___________________________________
snímek 1
___________________________________ ___________________________________
Principy počítačů
___________________________________
Část XI Perspektivní technologie, měření výkonnosti a spolehlivost
___________________________________ ___________________________________
1
© VJJ
___________________________________
snímek 2
___________________________________
Průběh Moorova zákona
___________________________________ Předpoklad prvních hybridních nanopočítačů
Demonstrováno vedení el. signálu jednou molekulou
Prototyp kvantového hradla
Řeťezová reakce v polymeru Rezonanční tunelový prvek s kvanntovým efektem
Intel 8086
Teorie uspořádánií molekul
Rastrovací kvantový mikrosop
Intel 8008
50 nm
Feymanova hypotéza
Vynález tranzistoru
1 µm
První návrh integrovaného obvodu
1 cm
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________
1 nm
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020 2
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 3
___________________________________
Nanotechnologie (1)
___________________________________
Åprvní myšlenky nanostrojů na počátku šedesátých let Åfyzik Richard Feynman Årovněž pokrok v biotechnologiích (propojování vláken RNA a DNA Åmanipulace s atomy – rastrový elektronový mikroskop © VJJ
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 3
___________________________________ ___________________________________
snímek 4
___________________________________
Nanotechnologie (2)
___________________________________
Åmechanické nanopočítače Åchemické nanopočítače Åkvantové nanopočítače Åelektronické nanopočítače
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 4
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 5
___________________________________
Odhad vývoje nanotechnologií 100
Vše informační nanotechnologie
___________________________________
hmota jako software
___________________________________
Penetrace trhu
80
Nanomechanika Nanoelektronika
60
___________________________________
40 nanovýroby
hybridy
___________________________________
20
0 1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
Rok 5
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 6
___________________________________
Mechanické nanopočítače
___________________________________
Åna počátku 90-tých let ÅK. Eric Drexler Åkniha "Building Molecular Machine Systems", 1999 Åpředpoklad výstavby mechanického stroje Babageova typu Åatomové manipulace rastrovým tunelovým mikroskopem © VJJ
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 6
___________________________________ ___________________________________
snímek 7
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ © VJJ
Rastrový tunelový mikroskop
7
___________________________________ ___________________________________
snímek 8
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 8
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 9
___________________________________
Postup atomové manipulace
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ © VJJ
9
___________________________________ ___________________________________
snímek 10
___________________________________
Atom xenonu na niklu
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 10
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 11
___________________________________
Xenon na niklu
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 11
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 12
___________________________________
Kvantový korál – železo na mědi
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________
© VJJ
12
___________________________________ ___________________________________
snímek 13
___________________________________
Pumpa složená z atomů
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 13
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 14
___________________________________
Nanoabacus
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 14
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 15
___________________________________
Lištové nanopočítače
___________________________________
Ånávrh lištové logiky v nanorozměrech – výhodou velmi nízká spotřeba 1016 op/s.W Åvysoký výkon – 1000 MIPS
___________________________________
Výstupní lišta
___________________________________
Zjištovací kolík
___________________________________
Hradlový kolík
Vstupní lišta
© VJJ
Pracovní geometrie hradla
Hradlo ve vodícím zámku
15
___________________________________ ___________________________________
snímek 16
___________________________________
Chemické nanopočítače Åzpracovávají informaci vytvářením nebo rušením chemických vazeb Åvýsledné informace se uchovávají v molekulárních strukturách Åvýhodou je masivně paralelní práce (teorie grafů) Åpoužití jako procesory pro speciální úlohy nebo jako paměťové prvky Åimplementace na vysokomolekulárních sloučeninách – DNA, proteiny 16
© VJJ
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________
snímek 17
___________________________________
Struktura DNA na 4 úrovních
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 17
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 18
___________________________________
Hamiltonův problém Åřešení problému z teorie grafů Ånalézt cestu, která prochází každým vrcholem právě jednou Åpři velkém počtu vrcholů – neřešitelné běžným počítačem
© VJJ
18
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________
snímek 19
___________________________________
Adlemanovo řešení na DNA
___________________________________
Åzakódoval každou cestu a každý vrchol jako sekvenci čtyřech komponent Åuložil tyto kódy do řetězce DNA Åpo excitaci DNA vytvářela nové sekvence na bázi vložených sekvencí Åobtížný způsob oddělení výsledků! Åmasivní paralelismus – cca 1014 operací/s
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 19
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 20
___________________________________
Zakódování úlohy do DNA
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 20
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 21
___________________________________
Biologické počítače
___________________________________
Åchemické metody na úrovni biologických materiálů s cílem naprogramovat buňku Åpoužívají se biochemické mechanismy syntézy a rozkladu proteinů Åjsou rozpracovány metody syntézy biologických počítačů a jejich programování (na chemické bázi)
© VJJ
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 21
___________________________________ ___________________________________
snímek 22
___________________________________
Kvantové nanopočítače
___________________________________
Åna možnost konstrukce poukázal poprvé Feynman v roce 1982 Ådostala se do popředí až po publikaci Shorova algoritmu pro prvočíselný rozklad velkých čísel (vhodný pro realizaci na kvantovém počítači)
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 22
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 23
___________________________________
Princip kvantového počítače
___________________________________
Åvychází ze skutečnosti, že kvantový bit (qubit) může existovat současně v obou stavech (0 i 1) Åoperace jsou prováděny současně s oběma hodnotami Åprakticky je možno vytvořit pouze několik qubitů po krátkou dobu Åpoužívají se metody iontových pastí, NMR ...
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 23
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 24
___________________________________
Elektronické nanopočítače
___________________________________
Åvycházejí z elektronických principů přenesených do světa kvantové mechaniky Åkvantové jevy se začnou projevovat při snižování rozměru elementu ve struktuře pod 100 nm Åzúžení inverzní vrstvy, tunelový jev Åproblémy s odvodem tepla z nepatrných nanoelektronických prvků © VJJ
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 24
___________________________________ ___________________________________
snímek 25
___________________________________
Základní konstrukce
___________________________________
Årezonanční tunelový tranzistor Åjednoelektronový tranzistor Åelektrostatické kvantové body
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 25
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 26
___________________________________
Atomové relé
___________________________________
Spínací hradlo
Atomový drát
___________________________________ ___________________________________
Migrující atom
___________________________________
Rozpínací
Stav
SEPNUTO
ROZEPNUTO
26
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 27
___________________________________ Měření výkonnosti počítačů
___________________________________ ___________________________________
Åje problematické stanovit obecná pravidla Ås ohledem na rozličné aplikace není jednoznačná charakteristika výkonnosti Åi stejné architektury se mohou při použití stejné charakteristiky obtížně porovnávat
© VJJ
___________________________________ ___________________________________ 27
___________________________________ ___________________________________
snímek 28
___________________________________
Příklad (hodinový kmitočet) Stroj A (9 MHz)
___________________________________
Stroj B (10 MHz)
L: load x,v[j]
2
L: load x,v[j]
2
mult x,3
4
mov z,x
2
store x,v[j]
2
shl x,1
2
brnz L,i
2
add x,y
2
store x,v[j]
2
brnz L,i
2
Celkem cyklů
12
Celkem cyklů
10
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 28
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 29
___________________________________
Testy - příklady
___________________________________
ÅBench Mark
___________________________________
ÅLinPack ÅPerfect Club
ÅSpec (speciální BenchMark)
___________________________________
ÅSPEC CINT95 ÅSPEC CFP95
___________________________________ 29
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 30
___________________________________
Spolehlivost počítačových systémů
___________________________________
Åcelková spolehlivost je dána spolehlivostí částí a jejich propojením Åhardware vs. software Åspolehlivostní analýzy systému Åzajištění spolehlivostních parametrů
© VJJ
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 30
___________________________________ ___________________________________
snímek 31
___________________________________
Základní pojmy (1) R (t ) = P (ξ > t )
___________________________________
spolehlivost - pravděpodobnost první poruchy
počet prvků, u nichž nevznikla porucha do "t"
___________________________________
počet poruch do okamžiku "t"
N (t ) R (t ) = N0
nebo
pravděpodobnost poruchy
celkový počet prvků uvedený do provozu
___________________________________
n(t ) R (t ) = 1 − N0
___________________________________
Q(t ) = 1 − R (t ) 31
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 32
___________________________________
Základní pojmy (2)
___________________________________
doba do vzniku první poruchy
Střední doba bezporuchového provozu - MTBF N0
ξi
i =1
N0
T =∑ intenzita poruch
λ (t ) =
1 T
___________________________________ ___________________________________
celkový počet prvků uvedený do provozu
___________________________________ 32
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 33
___________________________________
intensita poruch
Průběh intenzity poruch
I
II
III
___________________________________
Åzahořovací doba Åpracovní doba (užitečná doba života - životnost) Åpřežívání zařízení
___________________________________ ___________________________________
čas
___________________________________ © VJJ
33
___________________________________ ___________________________________
snímek 34
___________________________________
Spolehlivost programového vybavení
___________________________________
Åpodobně jako u hardware, měřítkem je střední doba do selhání Åtestování množinami vstupních dat – operační profil Åintenzita výskytu chyb = intenzita poruch Åchyby se zavádějí i opravami !!! 34
© VJJ
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________
snímek 35
___________________________________
Operační profily
___________________________________
Åvliv příliš malých vzorků operačních profilů Ånebezpečí subjektivního výběru vzorků Åzískání operačních profilů (nemožné nebo finančně nákladné) Åproměnné operační profily vzhledem k aplikaci Ådoba testování - vanovitá křivka spolehlivosti
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ 35
© VJJ
___________________________________ ___________________________________
snímek 36
___________________________________
Predikce intenzity poruch Celkový počet provedených testů Počet testů končících chybou
___________________________________
horní hranice jistoty, že intenzita poruch nepřekročí mez
___________________________________
F N 1 − ∑ χ j (1 − χ ) N − j ≥ α j =1 j
___________________________________
horní mez intenzity poruch
Pro F = 0 platí:
___________________________________
1 − (1 − χ ) N © VJJ
36
___________________________________ ___________________________________
snímek 37
___________________________________
Jistota meze intenzity poruch
___________________________________
1,2
___________________________________
horní hranice jistoty
1 0,8 0,6
___________________________________
0,4 0,2
___________________________________
0 0,00
0,01 inte nzita po ruc h
© VJJ
37
___________________________________ ___________________________________
