Декабрьский выпуск журнал посвящен 50-летнему юбилею NASA. Исследованиям, выполняемым NASA, посвящены три большие статьи номера. Приглашенными редакторами тематической подборки являются Майк Хинки, Пол Курто и Скот Гамильтон (Mike Hinchey, The Irish Software Engineering Research Centre, Paul A. Curto, NASA, Scott Hamilton, Computer). Их вводная заметка называется «Computer поздравляет NASA с 50-летним юбилеем» («Computer Celebrates NASA’s 50th Anniversary»).

Основанный в октябре 1958 г. Национальный комитет по аэронавтике и исследованию космического пространства (National Aeronautics and Space Administration, NASA) отмечает свое 50-летие. Значительная часть читателей журнала Computer в силу своего возраста должна помнить космическую экспедицию Apollo 11, доставившую на Луну первых людей – Нейла Армстронга (Neil Armstrong) и База Олдрина (Buzz Aldrin).

Мы были свидетелями эпохи космических шатлов и создания Международной космической станции, с острым интересом следили за результатами автоматических кораблей, исследовавших планеты Солнечной системы и космическое пространство за ее пределами. Проект по исследованию Марса Mars Exploration Rover, начатый в 2003 г., продолжает оставаться в новостях мировых информационных агентств, поскольку марсоходы Spirit и Opportunity продолжают искать геологические доказательства существования жизни на Марсе. В середине ноября 2008 г. космический телескоп NASA Хаббл (Hubble Space Telescope) сделал первый четкий снимок планеты Formalhaut b, которая вращается вокруг звезды Formalhaut, удаленной от Земли на расстояние в 25 световых лет.

В течение последнего десятилетия в журнале Computer отслеживаются достижения NASA в науке вообще и в компьютерной науке в частности. Публикуются многочисленные статьи о новаторских исследованиях NASA в областях робототехники, искусственного интеллекта и программной инженерии. Члены редакционного совета журнала работают с различными агентствами NASA, посещают лаборатории в Ames Research Center, the Jet Propulsion Laboratory и Johnson Space Center и участвуют в выполняемых там исследованиях.

Тематическую подборку открывает статья Маргарет Гамильтон и Вильяма Хэклера (Margaret H. Hamilton, William R. Hackler, Hamilton Technologies, Inc.) «Язык универсальных систем: уроки Apollo» («Universal Systems Language: Lessons Learned from Apollo»).

Огромные деньги расходуются на проекты, в которых ключевую роль играют проектирование системы и разработка программного обеспечения, существенная часть этих средств тратится впустую, и критически важным системам свойственен риск отказов, иногда приводящих к катастрофическим последствиям. В значительной степени так происходит из-за использования парадигмы «после свершившегося», на которой основываются языки определения систем.

Авторы статьи предполагают, что проектировщики систем и разработчики программного обеспечения могут значительно смягчить эти проблемы за счет применения языка, основанного на радикально ином подходе, предупреждающем, а не исправляющем сбойные ситуации. Таким является Язык универсальных систем (Universal Systems Language, USL). Этот язык основывается на теории систем и опирается на уроки проекта по разработке бортового программного обеспечения космических кораблей Apollo. USL развивался в течение нескольких десятилетий в нескольких направлениях. Основной целью было обеспечение средства решения проблем, которые невозможно разрешить с применением традиционных подходов в обозримом будущем.

По отношению к пользователям USL устраняет потребность в применении каких-либо предопределенных понятий, поскольку является самостоятельным миром – это полностью новый способ понимания систем. Вместо того чтобы использовать понятия объектно-ориентированных или модельно-управляемых систем, проектировщик использует термины системно-ориентированных объектов (system-oriented object, SOO) и системно-управляемых моделей. В подходе авторов многое противоречит традиционным подходам, в основе которых лежит программное обеспечение. В отличие от этого, предлагаемый подход можно назвать системно-центрическим.

USL создавался для разработки систем с существенно повышенной надежностью, более высокой продуктивностью и меньшим уровнем риска. При разработке языка преследовались следующие цели: снизить уровень сложности процесса мышления и привнести в него четкость; обеспечить корректность за счет неотъемлемых и универсальных свойств языка; обеспечить бесшовную интеграцию систем с программным обеспечением; предоставить средства разработки точно формулируемых требований, спецификаций и конструктивных решений; обеспечить отсутствие ошибок в интерфейсах проектируемой системы; максимизировать возможности повторного использования; обеспечить соответствие моделей семантики выполнения в реальном времени; предоставить возможность автоматической генерации большей части проектного решения, сокращая потребность в вовлечении разработчиков в детали реализации; обеспечить автоматическую генерацию программного кода по спецификациям системы для приложений любого размера; устранить потребность в объемном тестировании без снижения уровня надежности целевой системы.

Эти цели достигаются за счет использования в качестве основы языка универсальной теории систем. Технология также опирается на методы построения других систем реального мира, формальную семантику и объектный подход.

Статью «Автономия марсоходов: прошлое, настоящее и будущее» («Autonomy for Mars Rovers: Past, Present, and Future») представили Макс Махрачария, Марк Мэймоун и Дэниэль Хелмик (Max Bajracharya, Mark W. Maimone, Daniel Helmick, Jet Propulsion Laboratory).

В июле 1997 г. в рамках проекта NASA Mars Pathfinder на Марс был доставлен первый аппарат Sojourner, способный автономно передвигаться по поверхности другой планеты. В январе 2004 г. на Марс прибыли два новых марсохода, и за четыре года Spirit преодолел дистанцию более чем в четыре мили, а Opportunity – более семи миль, хотя проектное время жизни этих аппаратов составляло всего три месяца. Новейшие представители семейства марсоходов будут обладать способностью в автономном режиме приближаться к целевым объектам и распознавать интересные с научной точки зрения события. Осенью 2009 г. NASA планирует запустить корабль с марсоходом Mars Science Laboratory (MSL). Планируемый срок экспедиции – два года, в течение которых будет проводиться исследование поверхности Марса, а также сбор и анализ образцов грунта. На рисунке показаны макеты всех трех марсоходов.

В центре макет марсохода Sojourner, слева – Spirit и Opportunity, справа – марсоход проекта MSL

В близком будущем в совместном проекте NASA и Европейского космического агентства Mars Sample Return (MSR), вероятно, будет использоваться легковесный марсоход, который будет передвигаться и собирать образцы грунта, а затем доставлять их на возвращаемый на Землю аппарат. Этот марсоход будет обладать беспрецедентным уровнем автономности по причине ограниченного времени жизни возвращаемого аппарата и желания получить образцы с удаленных стен кратеров.

Авторами последней статьи тематической подборки – «Интегрированная среда гидрологического моделирования и ассимиляции данных» («An Integrated Hydrologic Modeling and Data Assimilation Framework») – являются Суджай Кумар, Криста Петерс-Лидард, Юдонг Тиан, Рольф Рейчл, Джеймс Гейджер, Чарльз Элонг, Джон Ейландер и Пол Хоузер (Sujay Kumar, Christa Peters-Lidard, Yudong Tian, Rolf Reichle, James Geiger, Charles Alonge, NASA Goddard Space Flight Center, John Eylander, Air Force Weather Agency, Paul Houser, George Mason University).

Современные достижения в технологии удаленного зондирования позволяют производить мониторинг и снятие показателей земной поверхности с беспрецедентной масштабностью и частотой. Такие наблюдения обеспечивают громадный объем ценных данных об условиях на поверхности Земли, например, о состоянии растительности, воды и об энергетических потоках. Эти наблюдения необходимо интегрировать с предсказаниями, получаемыми с использованием современной модели земной поверхности (land-surface model, LSM). Для этого применяются средства ассимиляции, генерирующие непрерывные во времени и пространстве оценки состояния окружающей среды. На основе получаемых результатов принимаются решения относительно социально значимых проблем, касающихся водных ресурсов, организации, сельскохозяйственного производства, снижения уровня рисков и т.д. Таким образом, интеграция систем наблюдения и моделирования важна для разнообразных гидрологических исследовательских и эксплуатационных приложений.

Потребность в разработке моделирующих систем, устанавливающих и представляющих связи между гидрологией земной поверхности и различными компонентами земной системы, выдвигает требование к созданию развитых средств гидрологического предсказания. Например, в нескольких исследовательских работах изучалась зависимость и чувствительность атмосферных процессов от условий на поверхности Земли. Демонстрировалось влияние уровня влажности на земной поверхности на формирование полей облачности и выпадение осадков. Это подтверждает важность интеграции систем зондирования и моделирования.

Вне тематической подборки опубликованы две большие статьи. Мария Пиннингофф, Риккардо Контрерас и Джон Аткинсон (Maria Pinninghoff, Ricardo Contreras, John Atkinson, University of Concepcion) представили статью «Использование генетических алгоритмов для моделирования дорожных сетей» («Using Genetic Algorithms to Model Road Networks»).

Современный городской транспорт сталкивается с существенными проблемами, во многом порождаемыми отсутствием связи между скоростью возрастания трафика и темпами развития городской инфраструктуры. Трафик постоянно возрастает, а темпы развития инфраструктуры, поддерживающей этот трафик, постоянно замедляются из-за роста цен и отсутствия жизненного пространства. Для решения некоторых из этих проблем, сильно воздействующих на такие критические функции, как эксплуатация дорожных сетей, при планировании городского транспорта необходимо стремиться к оптимизации выбора дорог, которые следует заново построить или реконструировать. Традиционно этот процесс выполняется вручную, обычно приводя к двум-трем возможным решениям.

Как правило, планировщики городского транспорта анализируют возможные решения с точки зрения разработки или формирования городской транспортной сети, представляющей собой множество дорог, позволяющих людям и транспортным средствам эффективно перемещаться внутри города. Поскольку во главу угла ставится эффективность, планировщики относятся к разработке сети, как к оптимизационной проблеме, и любое решение должно минимизировать обобщенную стоимость перемещений внутри сети. В транспортной модели определяются требования к транспорту (потребности в перемещении людей с разными целями и в разных направлениях) и обеспечение транспортных услуг (дорожная инфраструктура, поддерживающая выполнение требований к транспорту). В стремлении построить наиболее эффективную транспортную сеть планировщики должны принимать во внимание разнообразные ограничения и переменные, включая топологию сети (взаимосвязь дорог), свойства дорог и местоположения их пересечений.

Для еще большего повышения эффективности планирования транспортной сети исследователи изучают возможности автоматического проектирования сети. Один из подходов состоит в применении модели, основанной на генетических алгоритмах – метаэвристических стратегиях, которые становятся все более популярными при решении разнообразных проблем, от транскрибирования музыки до обработки изображений. Модель, основанная на генетических алгоритмах, генерирует много допустимых решений в сложном пространстве поиска, оценивает их и выбирает из них наилучшие решения путем систематического перебора приемлемых областей.

Авторы разработали модель, в которой используются генетические алгоритмы для оптимизации нагрузки частного транспорта в черте города. Одна из целей состояла в изучении справедливости того утверждения, что автоматизированные методы обеспечивают большее число решений и более качественные решения, чем чисто ручные процедуры. Модель использовалась в экспериментах по сравнению автоматизированного планирования с существующим планированием транспортной сети чилийского города Лос-Анджелес на период с 2000 по 2010 годы. Этот период был выбран, чтобы проверить достоверность модели на прошлых и проектируемых конфигурациях.

Эксперименты показали, что автоматизация значительно увеличивает число допустимых вариантов сети и повышает эффективность. В частности, модификации транспортной сети, предложенные на основе модели для 2010 года, оказались на 75-79% более эффективными, чем те, которые ранее планировались к этому году.

Последнюю большую статью номера написали Донг Хиук Ву и Хсиен-Хсин Ли (Dong Hyuk Woo, Hsien-Hsin S. Lee, Georgia Institute of Technology). Статья называется «Расширение закона Амдаля для компьютинга с эффективным энергопотреблением в многоядерную эпоху» («Extending Amdahl’s Law for Energy-Efficient Computing in the Many-Core Era»).

Несбалансированное энергопотребление и все возрастающая сложность проектирования и верификации вынуждают индустрию микропроцессоров интегрировать несколько процессорных ядер в одном кристалле. Это архитектурное решение позволяет следовать закону Амдаля. В то время как на рынке имеются двух- и четырехъядерные микропроцессоры, а на горизонте видны их восьмиядерные собратья, исследователи уже находятся на шаг впереди. Они исследуют архитектуры, компиляторы и модели программирования для многоядерных процессоров с сотнями и даже тысячами ядер на одном кристалле.

В 1967 г. Джин Амдаль предложил закон масштабирования: последовательное выполнение программы сильно ограничивает максимально достижимое ускорение. Из этого следует, что любое не параллельное исполнение или коммуникации между ядрами быстро сведут на нет масштабируемость производительности независимо от числа дополнительных вычислительных ресурсов. Являясь простым, но проницательным наблюдением, закон Амдаля продолжает служить руководством параллельным программистам по оценке верхних границ достижимой производительности.

К сожалению, помимо производительности, перед компьютерными архитекторами стоит и другая фундаментальная проблема: эффективность энергопотребления. Архитекторы должны тщательно проектировать многоядерные процессоры, чтобы их энергопотребление не превышало допустимых границ. Например, 16-ядерный процессор, в котором каждое ядро потребляет в среднем энергию в 20 ватт, будет в целом потреблять 320 ватт, если активны все ядра. Этот уровень энергопотребления может легко превысить предельный объем энергопотребления однопроцессорного кристалла. Другими словами, объем энергопотребления каждого ядра будет ограничивать число ядер, которые могут быть интегрированы на одном кристалле. По-видимому, энергопотребление становится важнее производительности при масштабировании многоядерных процессоров. Таким образом, при интеграции большого числа ядер на одном кристалле для достижения желаемой производительности и пропускной способности архитекторам сначала требуется максимизировать эффективность энергопотребления каждого ядра.

Для решения этих новых проблем в наступающую эпоху многоядерных микропроцессоров требуется расширить закон Амдаля для принятия в расчет ограничений масштабируемости, связанных с энергопотреблением. Как показывает исходный закон Амдаля, простая аналитическая модель может снабдить компьютерных архитекторов полезными знаниями. За счет использования простых аналитических моделей на ранней стадии проектирования можно улучшить понимание пределов эффективного энергопотребления, допустимых вариантов многоядерных архитектур и будущих направлений развития их масштабируемости.