Теория фон Неймана «Узкое место», напрямую связанная с историей глобальных вычислений, утверждает, что скорость передачи данных системы ограничена временем, которое требуется процессору для получения информации из оперативной памяти. Это приводит к падению производительности оборудования. Теперь ознакомьтесь с дополнительной информацией и любопытными фактами о том, что такое узкое место фон Неймана и почему оно так важно для современных вычислений.
Кем был Джон фон Нейман?
Джон фон Нейман родился в Будапеште в 1903 году и был известным математиком и ученым. Его исключительный интеллект был отмечен с детства, и он зарекомендовал себя как один из самых влиятельных ученых ХХ века.
Во время Второй мировой войны Нейман участвовал в Манхэттенском проекте в Лос-Аламосе, в результате которого была создана атомная бомба. Более того, в 1945 году он внес значительный вклад в вычислительную технику, приняв участие в проекте ENIAC — первом компьютере, разработанном для военных целей.
В том же году математик опубликовал статью под названием «Электронный автоматический компьютер с дискретными переменными» (EDVAC). Он предположил, что компьютеры будут состоять из трех основных компонентов: центрального процессора (ЦП), системной памяти и набора устройств ввода и вывода.
Это привело к появлению архитектура фон Неймана и способность компьютеров хранить информацию и перепрограммироваться, что в конечном итоге привело к появлению компьютеров, которые мы используем сегодня.
Читать далее:
Что такое Архитектура фон Неймана?
Фон Нейман превратил большие вычислительные машины в сложные устройства хранения данных, создав архитектуру машин, которые мы используем сегодня. Чтобы эти машины работали сбалансированно и гармонично, все компоненты должны работать вместе, отправляя и получая информацию в ЦП. Цель состоит в том, чтобы ЦП обработал всю информацию, которая будет отображаться на экране.
Однако при обработке данных возникают некоторые препятствия. Оперативная память должна сначала получить данные для правильной обработки. Затем ЦП декодирует эти данные. Ядра выполняют эти декодированные данные. Наконец, обработанные данные записываются обратно в ОЗУ. Этот путь в основном задействует центральный процессор и его структуры (логический и арифметический блок, блок управления и регистры), а также системную память.
Даже самый быстрый процессор в мире и самая быстрая память сегодня создают «узкое место» фон Неймана в системе. ЦП бездействует, ожидая правильных данных, которые ОЗУ последовательно отправляет процессору для расчета по шине. Когда процессор простаивает, компонент не работает в полную силу, влияя на остальную часть системы.
Как решить «узкое место» фон Неймана?
Минимизация «узкого места фон Неймана» была эффективно достигнута за счет внедрения кэш-памяти в процессорах. По словам Косты, это дополнение улучшает взаимодействие процессора и оперативной памяти. Кэш-память, которая представляет собой вспомогательную память, сегментированную на уровни (L1, L2 и L3), имеет чрезвычайно высокую скорость, хотя и имеет ограниченную емкость.
Во многих распространенных процессорах мы находим максимальные значения между 24 и 36 МБ кэш-памяти L3. Исключение составляет технология AMD 3D V-Cache, которая может объединять до 128 МБ кэш-памяти, но все равно не устраняет узкое место.
Будущее решения узких мест и Северного полюса
IBM разработала чип искусственного интеллекта под названием NorthPole в рамках недавних усилий по преодолению узкого места фон Неймана. Отличием NorthPole от других чипов является интеграция оперативной памяти непосредственно в компонент, что ускоряет передачу данных. Несмотря на то, что NorthPole все еще находится на стадии тестирования, он предназначен для таких приложений, как обнаружение и сегментация изображений, классификация видео и распознавание речи.