| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Законы компьютерного мира с точки зрения сетевых технологий
Оглавление
Реферат
Ключевые слова:
Цель работы:
1. Введение
2. Обзор законов
2.1. Закон Мура
2.2. Закон Гейтса
2.3. Закон Меткалфа
2.4. Закон Амдала
2.5. Предел Бреммерманна
2.6. Ограничение Найквиста
3. Заключение
3.1 Предел степени интеграции?
4. Список литературы :
Введение
Как и все компьютерные системы и сети имеют свои собственные законы, которым они подчиняются. Сети неразрывно связаны с вычислительными машинами, а те в свою очередь связаны с технологиями, которых достигло человечество. Вычислительные способности машин связаны с физическими законами и законами математики.
Глоссарий
2. Обзор законов
3.1. Закон Мура
Этот закон имеет много разных трактовок, но оригинал гласит:
«Число транзисторов, которые можно разместить на одной интегральной микросхеме удваивается каждые два года».
Сам Гордон Мур поначалу полагал, что время удвоения составляет около одного года, но со временем эта оценка заметно изменилась. Это закон является эмпирическим, то есть следует из наблюдений и не следует считать его точным физическим или математическим законом.
В подтверждение этих слов можно представить график зависимости количества транзисторов на кристалле от года выпуска процессоров:
Анализируя приведенный график (рис. 1) можно прийти к выводу что да, действительно с 1971 года закон выполняется, то есть примерно каждые два года количество транзисторов, реализуемых на одной интегральной схеме, увеличивается вдвое.
В последнее время технология производства приходит к своему критическому пределу. Дело в том, что процесс уменьшения размера транзисторов упирается в размеры атома кремния.
Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales) совершили очередной прорыв в развитии компьютерной отрасли: им впервые удалось создать рабочий транзистор на базе одного атома. К сожалению, этот образец работает при температуре минус 391 градус и только в лаборатории. Несмотря на это, закон Мура опровергнут на сегодняшний момент.
3.2. Закон Гейтса
Закон Гейтса — это вариант закона Вирта, названный в честь основателя Microsoft Билла Гейтса. Это шутливое наблюдение, утверждающее, что скорость программного обеспечения уменьшается на половину каждые полтора года, что сводит на нет все преимущества закона Мура. Это может происходить по нескольким причинам: добавление избыточных ненужных функций, плохой код, нежелание программистов дорабатывать программы и плохой менеджмент или частая смена команды.
3.3. Закон Меткалфа
В соответствии с законом Мура вычислительные способности стали доступны миллионам людей. Интернет объединяет своих пользователей в единую компьютерную сеть. По мере увеличения числа пользователей Сети образуются новые источники ценности и акционерной стоимости, выходящие за рамки предсказания Мура. Оцифровка информации — явление технологическое; сети же позволяют миллионам людей общаться с организациями и друг с другом, а значит, речь идет о социальном феномене.
Значение Интернета для общества выражено в законе Роберта Меткалфа, основателя корпорации 3Com: Закон был сформулирован основателем сети Ethernet Робертом Меткалфом и звучит так: «Полезность сети пропорциональна квадрату численности пользователей этой сети».
Закон широко используется в MLM (Multi Lavel Marketin), социальных сетях, маркетинге и обычных коммуникационных сетях, в том числе, и телефонных. Каждый новый участник значительно увеличивает полезность сети. Это "популярный" сегодня закон, в основе которого лежат не долгие годы исследований и не сложный математические выкладки.
Полезность в определении Меткалфа это количество связей, которые могут установить участники сети. Количество уникальных связей может быть математически выражено треугольным числом n= (n(n-1))/2, где n – количество узлов в сети.
Можно задаться вопросом: "Какое максимальное число связей может быть установлено между n узлами?"
Но именно эти слова великого инженера оставили его в истории. И теперь уже не только истории информационных технологий.
«Ценность любой сети пропорциональна квадрату ее пользователей».
Например, телефонная сеть имеет небольшую ценность, если ее абонентов можно пересчитать по пальцам. Чем их больше, тем быстрее расчет значимость сети для общества абонентов. Когда Интернет использовался только в избранных научных организациях, ценность его была невелика. Теперь же, когда к нему подключены миллионы людей и организаций, Интернет превращается в насущную необходимость. Массовое подключение к сети означает, что вскоре должны появиться кардинально новые способы создания ценности для покупателей и стоимости для акционеров.
3.4. Закон Амдала
Этот закон был сформулирован Джином Амдалом в 1967 году и относится к разряду законов о распределении задач. Наблюдение Амдала, что «в случае, когда задача разделяется на несколько частей, суммарное время её выполнения на параллельной системе не может быть меньше времени выполнения самого длинного фрагмента», дало основание для закона:
Закон Амдала гласит: «Ускорение выполнения программы за счет распараллеливания её инструкций на множестве вычислителей ограничено временем, необходимым для выполнения её последовательных инструкций».
Приведем численный пример для распределения задач по разным процессорам. Пусть имеется n процессоров и p вычислений, которые не могут выполняться параллельно одним процессором. Во сколько раз быстрее можно выполнить вычисления по сравнению с одним процессором?
Закон Амдала математически можно выразить формулой:
S_p=1/(α+(1-α)/p)
, где α-доля непараллельного исполнения задачи от общего числа вычислений, p – количество задействованных узлов, а S_p- суммарное ускорение которое может быть получено распараллеливанием вычислений.
Например, если n=10, p=50, а на одном процессоре все вычисления выполняются за время t. Тогда первая половина вычислений (50%) будет выполнена за время t/(2*10) , а вторая - за время t/2. Общее время вычислений в этом случае составит t/2 + t/20=11*t/20, а ускорение по сравнению с одним процессором составит 20/11 раза. Если же n=10, p=25, и на одном процессоре все вычисления выполняются за время t. Тогда 75% вычислений будут выполнены за время 3*t/(4*10) , а оставшиеся 25% - за время t/4 . Общее время вычислений в этом случае составит t/4 + 3*t/40=13*t/40, а ускорение по сравнению с одним процессором составит 40/13 раза.
На картинке представлена зависимость ускорения от количества процессоров обрабатывающих вычисления (рис.2).
Разноцветными линиями на ней представлены зависимости при различных параметрах доли распараллеливания процессов. Из графика видно, что после определенного количества процессоров достигается максимум увеличения скорости.
3.5. Предел Бреммерманна
Этот закон устанавливает предел способности к вычислениям 1 единицы массы:
N=mc2*Δt/h – количество вычислений,
Где :
с – скорость света
m- масса вещества
h – постоянная Планка
То есть 1 г массы не способен обработать более 1,36×10^47 бит информации в секунду.
Бреммерман пошел дальше и решил выяснить число бит, которое смогла бы обработать гипотетическая компьютерная система имеющая массу Земли, за период, примерно равный возрасту Земли. Подставляя массу земли (6*1027 г) и её примерный возраст (1010 лет) получим, что воображаемый компьютер смог бы обработать порядка 8.2*1084 бит. Это число называют пределом Бреммерманна, а задачи, требующие обработки более 1085 бит информации, называются трансвычислительными задачами.
3.6. Ограничение Найквиста
Еще одно ограничение в сфере компьютерных технологий накладывается на передачу данных – это ограничение Найквиста. Оно гласит, что если произвольный сигнал прошел через низкочастотный фильтр с полосой пропускания H, то такой отфильтрованный сигнал может быть полностью восстановлен по дискретным значениям этого сигнала, измеренным с частотой 2H в секунду.
Уравнение Найквиста:
B = 2*H*log_2V, бит/с
Где
B – максимальная скорость передачи данных
V – количество дискретных уровней, на которые разложен сигнал
H – полоса пропускания
Но на практике получила использование другая формула:
B = H*〖log_2 (〗〖1+S/N)〗, где
S/N – отношение сигнал/шум, выражаемое в дБ
К примеру, канал с частотной полосой пропускания в 3000 Гц и отношением мощностей сигнала и термального шума в 30 дБ никогда не сможет передавать более 30 000 бит/с, независимо от способа модуляции сигнала, то есть количества используемых уровней сигнала, частоты дискретизации и других параметров.
Заключение
Эта статья содержит краткий обзор некоторых законов, которым подчиняются компьютерные системы и сети. В основном законы имеют эмпирическую природу.
Но существуют и математические законы, основанные на физических ограничениях современных технологий.
4.1 Предел степени интеграции?
Уже давно известно, что закон Мура прекратит свое действию к 20-м годам 21 века. Напрашивается вопрос, а что дальше? Что будет, когда транзисторы достигнут размеров молекул?
Выход прост: перейдут к другим видам памяти и организации на других элементарных ячейках, например на нейронах или кубитах вместо элемента на транзисторах.
Иной выход их этой ситуации это распараллеливание исполнения задач, путем увеличения числа обрабатывающих элементов (ядер) на интегральной схеме, и так называемые «облачные» технологии.
5. Список литературы:
http://ru.wikipedia.org/wiki/%C7%E0%EA%EE%ED_%C0%EC%E4%E0%EB%E0 - Статья из Википедии «Закон Амдала»
http://rspu.edu.ru/rspu/structure/university_departments/math_faculty/site/stud_materials/Fomichev/page15.html - Студенческие материалы «Архитектура вычислительных систем»
http://kolonitsky.org/blog/2012/03/metcalfe-low/ - Статья «Закон Меткалфа»
http://www.valinfo.ru/forum/index.php?showtopic=2732 – Студенческий форум Valinfo.ru «ЛЕКЦИЯ. Физика сетевых технологий: вчера, сегодня и в эру наноэлектроники»
http://nano-e.ucoz.ru/publ/modelirovanie_processov/predel_bremmermanna_protiv_zakona_mura/5-1-0-180 - Неофициальный форум олимпиады «Наноэлектроника». Статья «Предел Бреммермана против закона Мура»
http://habrahabr.ru/post/142220/ - Хабр. Пост «Закон Мура – закон или маркетинговая стратегия»
http://www.tadviser.ru/index.php/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D1%8F:%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%9C%D1%83%D1%80%D0%B0 – Статья «Закон Мура» |
Категория: Домашние задания (по сетям МИФИ) | Добавил: lynatik (30.11.2013)
| Автор: Витер Евгений 
|
| Просмотров: 891
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
