Тема майского номера 2008 года журнала Computer (IEEE Computer Society, Vol. 41, No. 5, May 2008) — новые наноэлектронные устройства, ей посвящены три больших статьи, представленные членами рабочей группы Emerging Research Devices консорциума International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS).

На моей памяти первый раз авторами сразу трех статей, опубликованных в одном номере журнала Computer, являются одни и те же люди. Среди них двое с русскими фамилиями, а один из авторов — Виктор Жирнов — защищал в свое время кандидатскую диссертацию в МФТИ.

Статью «Новые наномасштабные запоминающие и логические устройства: критическая оценка» (Emerging Nanoscale Memory and Logic Devices: A Critical Assessment) представили Джеймс Хатчби, Ральф Кэвин, Виктор Жирнов, Джо Брювер и Джордж Бурьянов.

В соответствии с законом Мура, в течение последних сорока лет масштабирование технологии интегральных схем, основанных на комплементарных металло-оксидных полупроводниках (complementary metal-oxide semiconductor, CMOS), позволило получить совершенно новые классы информационных и потребительских продуктов. Однако в следующие пятнадцать лет будет достигнут предел — размер атома. Перед индустрией полупроводников возникает естественный вопрос: каким образом можно использовать наномасштабные материалы и структуры для разработки новой технологии обработки информации, но все же совместимой со CMOS?

Хотя все еще неясно, насколько наномасштабные устройства будут удовлетворять потребностям будущих компьютерных и коммуникационных приложений, для многих приложений, безусловно, окажется полезным терамасштабный уровень интеграции, обеспечиваемый в таких устройствах. Вероятно, на первых порах поставщики будут интегрировать наномасштабные устройства с CMOS, чтобы обеспечить возможность использования этой, все еще набирающей зрелость, технологии в новых приложениях. Например, физические особенности нового устройства могут придать ему такие характеристики, что оно сможет естественным образом заменить сложный цифровой блок-ускоритель с существенным снижением рассеиваемой мощности, повышением производительности и плотности. В краткосрочной перспективе для приложений будет требоваться функциональная и технологическая совместимость таких устройств со CMOS. В более далеком будущем электронные наноустройства, основанные на зарядах, возможно, будут дополняться одной или несколькими технологиями, в которых для представления бита будут применяться другие виды переменных состояния. В отдаленной перспективе новая технология обработки информации может полностью заменить CMOS.

Для построения запоминающих и логических устройств исследователи предлагают множество технологий «за пределами CMOS». В статье упоминаются устройства памяти на основе туннельных переходов, устройства однократного программирования (fuse/antifuse), наномеханические и ионные технологии, сегнетоэлектрические канальные транзисторы, макромолекулярные и молекулярные технологии. Новые логические наноустройства включают одномерные структуры (1D), одноэлектронные транзисторы, молекулярные устройства, ферромагнитные устройства и спиновые транзисторы.

В течение двух последних десятилетий рабочая группа Emerging Research Devices (ERD) консорциума ITRS провела несколько симпозиумов, выпустила ряд обзоров и активно участвовала в обсуждениях этих технологий. Одной из целей ERD является анализ того, сможет ли наномасштабная технология, в конце концов, заменить CMOS в тех приложениях, в которых требуются масштабируемые, высокоэффективные логические переключательные схемы с малым энергопотреблением, или обеспечить возможность производства запоминающих устройств с уровнем интеграции масштаба 22 нм и выше.

В статье представлено коллективное мнение ERD относительно долговременного потенциала наномасштабных запоминающих и логических устройств для замены функционально подобных устройств, основанных на CMOS.

Обзор «Новые исследовательские архитектуры» (Emerging Research Architectures) подготовлен теми же авторами, что и первая статья подборки.

Физическая архитектура процессоров подвергается существенным изменениям для приспособления к возникающим ограничениям по температуре, представляющим проблему из-за плотных конфигураций устройств с высоким уровнем интеграции, работающих на гигагерцевых частотах. Имеющиеся достижения делают возможным внедрение в платформу CMOS новых устройств и технологий.

Переход к многоядерным — симметричным и несимметричным — архитектурам является ведущей тенденцией индустрии. В то время как в старших моделях микропроцессоров становится распространенным многоядерный формат, доступны коммерческие двухъядерные продукты и уже появляются четырехъядерные кристаллы. Новой вехой является недавно анонсированный 80-ядерный экспериментальный чип (ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=4242283). Некоторые компании производят устройства типа многоядерных, которые иногда называют следующим поколением «программируемых логических матриц» (field-programmable gate array, FPGA). Если говорить более точно, эти коллективы реализуют технологию программируемых массивов объектов (field-programmable object array, FPOA), www.mathstar.com .

Аналогично, многоядерной конфигурацией обладают многие системы на кристалле, основанные на специализированных интегральных схемах (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC). Такие многоядерные архитектуры имеют сложную организацию, что обусловлено применением масштабируемых CMOS-технологий, обеспечивает более сбалансированное использование устройств на кристалле и смягчает проблемы охлаждения и надежности. Исследователи полагают, что по сравнению с одноядерными процессорами многоядерные архитектуры могут привести к повышению производительности на порядок, однако серьезной проблемой является использование нескольких элементарных процессоров для получения выигрыша при решении вычислительных проблем общего класса (www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2006/EECS-2006-183.pdf ).

Наконец, CMOS обеспечивает возможность нововведений в системах памяти, источниках питания для приложений с низким энергопотреблением, в приложениях обработки изображений, идентификационных метках и многих других приложениях. Для многоядерных систем требуется система межсоединений, которая, в зависимости от целевых приложений, может быть фиксированной или гибкой. Гибкие межсоединения часто получаются путем реализации коммутирующих матриц.

От производительности системы межсоединений зависят возможности выбора вариантов архитектуры. Так, в «глобально асинхронной, локально синхронной» (globally asynchronous, locally synchronous, GALS) архитектуре к задержкам поступления сигналов времени и данных приспосабливаются путем поддержки синхронного функционирования только в локальных процессорах. В более общем случае исследователи предлагают различные виды коммутирующих систем и соответствующих контроллеров для коммутирующих матриц. При реализации коммутирующих матриц также возможно применение новых экспериментальных устройств.

Те же авторы и у последней тематической статьи, которая называется «Булева логика и альтернативные устройства обработки информации» (Boolean Logic and Alternative Information-Processing Devices).

В главе Technology Roadmap for Semiconductors (www.itrs.net/Links/2007ITRS/2007_Chapters/2007_ERD.pdf ) объясняется суть альтернативных логических технологий, которые к 2020 году могут пополнить технологию логических устройств, основанную на CMOS. В трех предыдущих редакциях этой главы оценивались наиболее значимые альтернативные варианты логических устройств для высокопроизводительной поддержки булевой логики общего назначения, и делалось заключение, что ни одна из этих альтернатив в этом случае еще не превосходит CMOS. В версии ERD 2007 впервые ставится такой вопрос: есть ли у новых устройств преимущества перед CMOS в связи с тем, что их физические характеристики могли бы обеспечить функции обработки информации, отличные от функций булевой логики общего назначения? Предпринимается попытка выявить и изучить наиболее перспективные альтернативные подходы и приложения, в которых можно было бы получить преимущества над масштабируемой технологией CMOS.

Любой анализ планируемой производительности альтернативных устройств для небулевых приложений должен производиться в контексте архитектурных конфигураций, с которыми, вероятно, придется столкнуться в будущем. Тенденция к созданию неоднородных асимметричных многоядерных процессоров согласуется с идеей, что будущие системы станут поддерживать специализированные сопроцессоры, в которых использовались бы новые устройства для специальных приложений. В традиционной системе общего назначения, основанной на CMOS, эти сопроцессоры и ускорители интегрировались бы в систему в виде одного или нескольких ядер, предназначенных для поддержки конкретных операций. Например, это могли бы быть сопроцессоры, поддерживающие распознавание образов или звука, процессоры байесовского вывода для интеллектуального анализа данных и т.д.

Вне тематической подборки в журнале опубликованы три большие статьи. Первая статья, которую написали Джейсон Корсо, Гуанджи Йе, Дариус Буршка и Грегори Хейджер, озаглавлена «Практическая парадигма и платформа человеко-машинного взаимодействия на основе видео» (A Practical Paradigm and Platform for Video-Based Human-Computer Interaction).

Несмотря на многочисленные технологические достижения, способ взаимодействия человека с компьютером в последние три десятилетия изменялся незначительно. В новом веке «антропоцентрических компьютерных систем» специалисты в области человеко-машинного взаимодействия должны обратить пристальное внимание на новые технологии построения современных, естественных и интуитивных интерфейсов. Одной из таких технологий является видео. Методы машинного зрения могли бы обеспечить более развитую интерактивность, чем традиционные устройства. При наличии входных видеосигналов в системах могли бы использоваться данные о жестах и телодвижении нескольких пользователей, что способствовало бы более непосредственному, надежному и эффективному использованию компьютеров.

Отсутствие производственных систем поддержки человеко-машинного взаимодействия, основанных на видео, показывает, что использовать видео в таких системах нелегко. Имеется несколько экспериментальных систем (см., например, www.cse.buffalo.edu/~jcorso/pubs/jcorso_pgm.pdf  и citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary;jsessionid=C784DEE46D91B3B05D845F1D4E285C47?cid=3655120).

В парадигме «визуальных команд взаимодействия» (visual interaction cue, VICs) пользователь и компьютер взаимодействуют в совместном перцепционном пространстве. В этом пространстве компьютер отслеживает последовательности ожидаемых действий пользователя в местоположениях, соответствующих компонентам интерфейса. Этот подход устраняет потребность в глобальном отслеживании и моделировании пользователя. Вместо этого система моделирует последовательность локальных визуальных команд, которая соответствует пользователю, взаимодействующему с различными элементами интерфейса. Основанная на видео вычислительная платформа 4D Touchpad базируется на парадигме VICs. В совокупности, парадигма VICs и платформа 4D Touchpad обеспечивают набор новых развитых методов, которые позволяют поставить человека в центр схемы человеко-машинного взаимодействия и обойти некоторые ограничения традиционной технологии построения интерфейсов.

Автором статьи «Улучшение беспроводного контроля состояния здоровья с использованием кооперации маршрутизаторов на основе стимулов» (Improving Wireless Health Monitoring Using Incentive-Based Router Cooperation) является Упкар Варшни.

Растущая стоимость услуг здравоохранения в совокупности с увеличением числа пожилых людей и инвалидов приводит к потребности повышения качества обслуживания при одновременной минимизации финансовых и человеческих ресурсов. Широко распространено мнение, что для решения этой проблемы требуется контроль состояния здоровья людей дома, в больницах и домах престарелых.

Для осуществления контроля состояния здоровья требуется периодически передавать основные показатели состояния организма, включая электрокардиографические данные, давление крови, частоту пульса, температуру и насыщенность кислородом. Кроме того, необходимо передавать предупреждающие сигналы, если значения каких-то показателей выходят за пределы установленных порогов. Система медицинского контроля снимает и оцифровывает эти показатели состояния организма для передачи по сети. Система может также контролировать другие параметры: состояние кожного покрова, двигательную активность, уровень возбуждения, текущее местоположение, присутствие сигаретного дыма, изменение веса и т.д.

В последние годы исследователи изучают потребности и потенциальные преимущества беспроводных сетей в области контроля состояния здоровья, включая использование носимых устройств, таких как система LifeShirt, разработанная в компании VivoMetrics. Одной из наиболее сложных проблем использования таких сетей является надежность доставки сообщений. На качество контроля также влияют сквозные задержки, число пациентов и т.д.

Многие медицинские учреждения здравоохранения начинают использовать для отслеживания состояния пациентов инфраструктурные беспроводные сети, такие как IEEE 802.11 и сотовые системы. Инфраструктура поддерживает устройства контроля в больницах и домах престарелых, на улицах и дома за счет использования базовых станций (сотовые сети) или точек доступа (беспроводные локальные сети). Хотя беспроводные сети обладают небольшим радиусом действия, их легко вводить в эксплуатацию, и по мере снижения стоимости оборудования они могут стать превалирующими. Однако потенциально неоднородная зона действия таких сетей из-за зависимости качества сигнала от времени и местоположений и затухания сигнала, приводящая к появлению «мертвых зон», может существенно снизить надежность доставки сообщений.

Для пополнения зоны действия инфраструктурных беспроводных сетей устройства контроля могут образовывать временные (ad hoc) сети для передачи сообщений. Хотя этот подход прогрессивен с технической точки зрения, в нем предполагается, что маршрутизаторы действуют согласованным образом, правильно функционируют и обеспечивают защиту доступа. Однако во временных сетях маршрутизаторы не всегда смогут действовать в кооперативном режиме: мы предполагаем, что некоторые пользователи не захотят, чтобы их устройства выступали в роли маршрутизаторов, и будут их выключать; какие-то устройства, запрограммированные с целью экономии потребления энергии, могут быть непригодны к маршрутизации пакетов; у некоторых устройств могут происходить аппаратные и программные сбои; маршрутизирующие устройства, принадлежащие разным организациям, могут не всегда действовать согласованным образом; некоторые маршрутизаторы могут просто плохо функционировать по неизвестным причинам. Такие потенциальные проблемы доставки сообщений могут преодолеваться:

  • путем реализации устойчивой среды передачи, которая позволяет несогласованным устройствам передавать сообщения на меньшие расстояния с меньшим потреблением энергии;
  • при использовании более устойчивых схем маршрутизации с обходными путями, таких как надежная групповая или широковещательная рассылка;
  • за счет исключения из числа маршрутизаторов несогласованных устройств.

Однако более надежным решением является обеспечение «кооперации маршрутизаторов». Один из способов достижения согласованности состоит в том, чтобы потребовать от устройств выполнения действий по маршрутизации некоторого заданного числа сообщений для поддержки их членства во временной сети контроля состояния здоровья. В качестве альтернативного варианта подобные устройства можно запрограммировать таким образом, чтобы они маршрутизировали сообщения семье пациента, его друзьям или сообществу, например, обитателям дома престарелых. Некоторые пациенты могут пожелать, чтобы их устройства пересылали сообщения, считая это актом милосердия. В маршрутизации могут также использоваться кооперативные протоколы обнаружения узлов, ведущих себя несогласованным образом.

Возможно, наилучшим способом обеспечения согласованного действия маршрутизаторов является обеспечение системы стимулов, от кредитов до поддержки приоритетов доставки сообщений. В этом случае устройства могли бы принимать решение об участии в кооперации на основе предлагаемых им или получаемых ими стимулов, с учетом оценочной стоимости маршрутизации. Кроме того, сообщения могли бы маршрутизироваться на основе истории участия в согласованных действиях данного устройства. Устройствам, которые участвовали в кооперации в прошлом, выдавался бы более высокий приоритет доставки сообщений. Некоторым типам сообщений, таким как срочные тревожные сигналы, соответствовали бы более значимые стимулы.

В разных сценариях контроля состояния здоровья влияние стимулов, вероятно, будет сильно различаться. Например, если все узлы временной сети администрируются одной организацией, то кооперации маршрутизаторов можно добиться и без использования стимулов. Если у пользователей и администрирующих узлы организаций имеются конфликтные цели, то роль стимулов становится существенно более важной.

Последняя большая статья майского номера называется «Механизм из Антикитеры: компьютерное представление» (The Antikythera Mechanism: A Computer Science Perspective) и написана Диомидисом Спинеллисом.

Две тысячи лет отделяют нас от создания древнегреческого вычислительного устройства, называемого «механизмом из Антикитеры». В статье описывается функционирование этого механизма на основе его модельной реконструкции, выполненной в мультимедийной среде Squeak Etoys (www.vpri.org/pdf/backto_TR-1997-001.pdf), которая изначально разрабатывалась для оказания помощи студентам вузов при изучении научных и инженерных понятий. Выполненная реконструкция основывается на данных, недавно полученных международной междисциплинарной группой ученых на основе оптических изображений механизма и его рентгеновской томографии. Исходные тексты реализации, пригодные для использования в среде Etoys, доступны на сайте www.dmst.aueb.gr/dds/sw/ameso. Автор призывает читателей скачать Etoys и запустить программную модель, обращаясь к ней при чтении статьи.

Всего вам доброго, Сергей Кузнецов (kuzloc@ispras.ru).