Темой майского номера журнала Computer в этом году являются новые наноэлектронные устройства. Этой теме 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, причем среди них двое с русскими фамилиями, один которых (Виктор Жирнов) защищал кандидатскую диссертацию в МФТИ. Начну обзор журнала с этих статей.

Статью «Новые наномасштабные устройства 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 Бурянов (James A. Hutchby, Ralph Cavin, Victor Zhirnov, Semiconductor Research Corp., Joe E. Brewer, University of Florida, George Bourianoff, Intel).

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 некоторые критические измерения в масштабируемых CMOS-транзисторах достигнут предельных значений масштаба размера атома. Перед индустрией полупроводников встает естественный вопрос: каким образом можно использовать наномасштабные материалы и структуры для разработки новой, но совместимой с CMOS технологии обработки информации.

Хотя все еще не ясно, насколько наномасштабные устройства будут удовлетворять потребности будущих компьютерных и коммуникационных приложений, для многих приложений, безусловно, окажется полезным тера-масштабный уровень интеграции, обеспечиваемый в таких устройствах. Производство этих устройств будет основываться на разных методологиях, и устройства будут обеспечивать широкий класс функциональных возможностей. 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 выигрышем в рассеянии мощности, производительности и плотности.

В краткосрочной перспективе для приложений будет требоваться функциональная и технологическая совместимость таких устройств с 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 стать доминирующей, полностью заменяя CMOS.

Исследователи предлагают множество технологий «за пределами CMOS» для построения запоминающих и логических устройств. В статье упоминаются устройства памяти на основе туннельных переходов, устройства однократного программирования (fuse/antifuse), наномеханической технологии, ионной технологии, сегнетоэлектрических канальных транзисторов, макромолекулярной и молекулярной технологий. Новые логические наноустройства включают одномерные структуры (1D structure), 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 несколько обзоров исследовательских публикаций и активно участвовала в обсуждениях этих технологий. Одной из целей международной рабочей группы 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 рабочей группы ERD относительно долговременного потенциала наномасштабных запоминающих и логических устройств для замены функционально подобных устройств, основанных на CMOS.

У статьи «Новые исследовательские архитектуры» («Emerging Research Architectures») те же авторы, что и у первой статьи тематической 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, которые работают на гигагерцовых частотах. Имеющиеся достижения делают возможным внедрить в платформу CMOS новые устройства и технологии.

Переход к многоядерным (симметричным и несимметричным) архитектурам является упрочившейся тенденцией индустрии. В то время как в старших моделях микропроцессоров становится распространенным многоядерный формат, коммерчески доступны двухъядерные продукты, и на рынке появляются четырехъядерные кристаллы. Новой вехой является недавно анонсированный 80-ядерный экспериментальный чип. Некоторые другие компании производят устройства типа многоядерных, которые иногда называют «программируемыми вентильными матрицами (field-programmable gate array, FPGA) следующего поколения». Более точно, эти компании реализуют технологию программируемых массивов объектов field-programmable object array, FPOA.

Аналогично, многоядерной конфигурацией обладают многие системы на кристалле, основанные на специализированных микросхемах (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC). Эти многоядерные архитектуры имеют сложную организацию, обуславливаемую применением масштабируемых CMOS, обеспечивающую более сбалансированное использование устройств на кристалле и смягчающую проблемы охлаждения и надежности.

Исследователи полагают, что, по сравнению с одноядерными процессорами, многоядерные архитектуры могут привести к повышению производительности на порядок. Серьезной проблемой является использование преимуществ наличия нескольких элементарных процессоров для получения выигрыша при решении вычислительных проблем общего класса.

Наконец, технология 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. Например, 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 «Булевская логика и альтернативные устройства обработки информации» («Boolean Logic and Alternative Information-Processing Devices»).

Глава «Emerging Research Devices» (ERD) в редакции 2007 г. «Дорожной карты полупроводниковых технологий» (Technology Roadmap for Semiconductors) направлена на то, чтобы обеспечить производителей микросхем и соответствующего сообщества поставщиков пониманием сути альтернативных логических технологий, которые к 2020-му г. могут пополнить технологию логических устройств, основанную на CMOS. Такое понимание требуется по той причине, что традиционное масштабирование CMOS-устройств, вероятно, будет достигаться все более трудно, и альтернативные технологии, изучаемые в исследовательском сообществе, могут обеспечить привлекательные возможности. В трех предыдущих редакциях «Дорожной карты» оценивались наиболее значимые альтернативные варианты логических устройств для высокопроизводительной поддержки Булевской логики общего назначения, и делалось заключение, что ни одна из этих альтернатив в этом случае не превосходит CMOS.

В главе ERD 2007 года впервые ставится вопрос о том, нет ли у новых устройств преимуществ перед CMOS в связи с тем, что их физические характеристики могли бы обеспечить функции обработки информации, отличные от функций Булевской логики общего назначения? Поиск таких альтернативных устройств производится большим числом исследователей во всем мире, но только немногие из этих устройств хоть сколько-нибудь отвечают критериям, требуемым для обработки информации. В этой главе предпринимается попытка выявить и изучить наиболее перспективные альтернативные подходы и приложения, в которых можно было бы получить какие-либо преимущества над масштабируемой технологией CMOS.

Любой анализ планируемой производительности альтернативных устройств для неБулевских приложений должен производиться в контексте архитектурных конфигураций, с которыми, вероятно, придется столкнуться в будущем. Тенденция современной индустрии, направленная на создание неоднородных асимметричных многоядерных процессоров, согласуется с той идеей, чтобы будущие системы могли 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.

В главе ERD затрагивается несколько новых технологий исследовательских устройств, поддерживающих Булевскую логику или выполняющих функции обработки информации, такие как распознавание, анализ или синтез, с использованием своих уникальных нелинейных выходных характеристик. Для новых приложений потребуются новые архитектуры, но они также могли бы открыть дорогу использованию устройств, функции отклика которых существенно отличаются от аналогичных характеристик CMOS-устройств.

Вне тематической подборки в журнале опубликованы три большие статьи. Первую из них написали Джейсон Корсо, Гуанджи Йе, Дариус Буршка и Грегори Хейджер (jcorso@cse.buffalo.edu, Guangqi Ye, Darius Burschka, Gregory D. Hager, Johns Hopkins University). Статья называется «Практическая парадигма и платформа человеко-машинного взаимодействия на основе видео» («A Practical Paradigm and Platform for Video-Based Human-Computer Interaction»).

Использование компьютеров является неотъемлемой частью повседневной деятельности людей. Однако, несмотря на многочисленные технологические достижения, способ взаимодействия человека с компьютером в последние три десятилетия изменялся крайне незначительно. В современных системах используются традиционные устройства ввода, такие как мышь, что ограничивает функциональные возможности и часто принуждает разработчиков приложений определять сложные, неинтуитивные языки взаимодействия с пользователями.

В новом веке антропоцентрического компьютинга специалисты в области человеко-машинного взаимодействия (human-computer interaction, HCI) 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 HCI нелегко. Однако имеется несколько экспериментальных систем, см., например, статью авторов из университета Джона Хопкинса.

В парадигме визуальных команд взаимодействия (visual interaction cues, 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 соответствуют 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 HCI 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 (Upkar Varshney, Georgia State University).

Значительно возрастающая стоимость здравоохранения в совокупности с увеличением числа пожилых людей и инвалидов приводит к потребности повышения качества услуг, требующих минимальных 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 (срочные) 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 поставщики услуг здравоохранения начинают использовать для отслеживания состояния пациентов инфраструктурные беспроводные сети, такие как беспроводные LAN IEEE 802.11, а также 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 LAN). Хотя беспроводные LAN 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 заслуживают доверия. Однако во временных сетях по разным причинам маршрутизаторам может не удастся действовать в кооперативном режиме: некоторые пользователи могут не захотеть, чтобы их устройства выступали в роли маршрутизаторов, и будут их выключать; некоторые 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.

Потенциальные проблемы доставки сообщений, возникающие из-за несогласованности маршрутизаторов, могут быть преодолены:
• путем реализации устойчивой среды передачи, которая позволяет несогласованным устройствам передавать сообщения на меньшие расстояния с меньшим потреблением энергии;
• использования более устойчивых схем маршрутизации с обходными путями, таких как надежная групповая или широковещательная рассылка;
• исключения из числа маршрутизаторов несогласованных устройств.

Однако более надежным решением является обеспечение кооперации маршрутизаторов. Один из способов достижения этой 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. Другие устройства сети должны проводить в жизнь эту политику, что может вызвать некоторые дополнительные накладные расходы памяти и процессоров, зависящие от сетевого трафика и числа маршрутизирующих устройств. В качестве альтернативного варианта устройства пациентов можно было бы запрограммировать таким образом, чтобы они маршрутизировали сообщения семье пациента, его друзьям или даже сообществу, например, обитателям дома престарелых. Некоторые пациенты могут пожелать, чтобы их устройства пересылали сообщения, считая это актом милосердия. В маршрутизации могут также использоваться репутация и кооперативные протоколы обнаружения узлов, ведущих себя несогласованным образом.

Возможно, наилучшим способом обеспечения согласованного действия маршрутизаторов является поддержка системы стимулов, от кредитов до установки 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 (Diomidis Spinellis, Athens University of Economics and Business).

Две тысячи лет отделяют нас от древнегреческого вычислительного устройства, который называют механизмом из Антикитеры. В статье описывается функционирование этого механизма на основе его модельной реконструкции, выполненной в мультимедийной авторской среде Squeak Etoys, которая изначально разрабатывалась для оказания помощи студентам высшей школы при изучении научных и инженерных понятий. Выполненная реконструкция основывается на данных, недавно полученных международной междисциплинарной группой ученых на основе оптических изображений механизма и его ренгеновской томографии.

Исходные тексты реализации, пригодные для использования в среде Etoys, доступны на сайте. Автор призывает читателей скачать Etoys и запустить программную модель антикитерского механизма, обращаясь к ней при чтении статьи.