Principy počítačů I – Perspektivní technologie, měření výkonnosti a

Principy počítačů I – Perspektivní technologie, měření výkonnosti a

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
___________________________________
___________________________________