За последние тридцать лет компьютеры настолько стали популярны, что успели изменить многие процессы в жизни человека и соответственно общества. С каждым годом, согласно закону Мура, они приобретают все больше вычислительных способностей, что позволяет им решать все более сложные задачи. Уже сегодня компьютеры столкнулись с рядом ограничений, которые не позволяют нам решать задачи из фильмов про будущее.

Так ли будет и дальше, есть ли предел у современной архитектуры и что нам делать, если такой стремительный рост в дальнейшем не возможен?

Компьютер фон Неймана все так же будет обрабатывать задачи, связанные с реляционными базами данных (про BigData не уверен), численными методами, интернетом и тд. В общем он так и будет заниматься всем тем, для чего он был создан, но уже не будет такого быстрого прироста вычислительных способностей, а для решения задач обработки сигналов “реального мира” будет использоваться другой архитектурный подход. Оба архитектурных подхода будут использоваться на одной печатной плате, а со временем и в одном чипе.

Эта статья является вступлением для статьи Neuromorphic inspired computing и описывает проблематику вопроса, решения предлагаются во второй статье.

Классическая архитектура фон Неймана

Все классические компьютеры обладают так называемой архитектурой фон Неймана. Недостатком такой архитектуры является тот факт, что данные из области памяти цикл за циклом должны передаваться в область вычислительного юнита и обратно. Интерфейс, связывающий вычислительный юнит и память компьютера, ограничен в своей пропускной способности. Даже тот факт, что современные процессоры имеют несколько уровней кэша непосредственно в вычислительном юните, не решает проблему. Данный подход усугубляется необходимостью аккумулировать и структурировать данные для полного заполнения буфера вычисляемых операций. Можно привести метафору с поездом: пока все пассажиры не займут именно свои места в поезде, поезд никуда не поедет.

Физические ограничения материалов

Согласно закону Мура, количество транзисторов удваивается примерно каждые два года при уменьшении стоимости их производства. Реализуется этот факт посредством уменьшения размера транзистора. Уменьшение размеров транзистора приводит нас к еще одному ограничению: их размеры обусловлены физическими свойствами материалов из которых они производятся.

Реалии представляются таким образом, что этот закон начинает испытывать давление со стороны “законов физики микромира”.