Вершина нашего развития [Машины и мы 01]

[mikhai1-t.livejournal.com]

Оригинал взят у mirvn в Вершина нашего развития [Машины и мы 01]

Это первая статья в, как я надеюсь, целой серии заметок о несправедливо игнорируемом аспекте нашей современной цивилизации.

Развитие цивилизации это коллективный путь к расширению наших знаний, всё остальное вторично: энергия, промышленность, космос - всё это плоды нашего стремления к познанию. Нужно понять цепочку причинно следственных связей, больше доступной информации -> больше знаний -> больше эффективных устройств -> больше энергии мы можем получать. Стоит вспомнить, что первые паровые двигатели - самые сложные механизмы ХVIII века - работали как насосы в угольных шахтах.

Поэтому сначала новые знания и новые механизмы, а уж потом новая энергия в необходимом количестве. Так что давайте отбросим разные предрассудки и скажем прямо: пик развития нашей сегодняшней цивилизации это iPhone. Вот пусть он у нас и отвечает за новые источники энергии.

Сири, где ближайшая бензоколонка?

Как я уже писал раньше, предшественником первой индустриальной революции был печатный станок Гуттенберга. Это изобретение позволило поставить процесс накопления и распространения знаний на экспоненциальный путь развития. Третья же индустриальная революция, перед порогом которой мы все сейчас топчемся, обусловлена изобретением и развитием информационных технологий. Компьютер - это одновременно и источник накопления и распространения знаний и один из самых сложных механизмов, которые мы сейчас способны делать. По аналогии с историческими событиями, это наш печатный станок и наша паровая машина.

Если первая индустриализация была процессом автоматизации крупной механической работы в разных отраслях, то информационная революция позволила автоматизировать само накопление и производство новых знаний. Для тех, кто уже два абзаца презрительно ухмыляется насчёт любителей айфонов, и пойдёт наш рассказ. Влияние компьютера на наше существование гораздо более фундаментально, чем может показаться из каждодневного опыта.

На секунду отойдём от гадских айфонов и разберёмся с одной из самых брутальных мужских профессий, а именно геологической разведкой.



Геологи в поисках нефти. С романтикой гитар и палаток что-то пошло не так.

Добыча нефти, так же как и победа в военном сражении, невозможна без разведки. Ещё до начала бурения скважины вы должны хотя бы примерно представлять что вас ожидает под землёй, должна быть какая-то карта. Без карты добыча нефти превращается в попытку угадать вкус арбуза по узору кожуры. Основной метод разведки это сейсмическое исследование недр. Как это происходит?

Берут мощный источник вибрации, чтобы сгенерированные им волны имели достаточно энергии для проникания на необходимую глубину. Это либо специальный вибратор на шасси грузовика, либо углубление/скважина с заложенной туда взрывчатой. Упругие волны распространяются в глубину земных пород и частично преломляются и отражаются от разных слоёв обратно к поверхности, где их принимают сейсмоприёмники. Данные записывают специальным самописцем и вместе с данными об упругих свойствах горных пород это позволяет построить карту геологического среза глубиной до десяти километров. Теперь можно понять где находится нефтяная ловушка.

Используя метод вы видите двухмерное сечение поверхности, вместо объёмной картины. На виде “сверху” это выглядит как линия, а плоскость сечения видна при виде сбоку. Типа такого:

Результат 2D-сейсмической разведки. Нефтегазовые ловушки отмечены зелёным.

Понять реальность на основе этого снимка это как попытка опознать что нарисовано на правой картинке, открывая слева только отдельные линии:

Это возможно, если вы примерно знаете что ищите - к примеру, что это картинка некого человека или же вы определили хотя бы примерно где находиться нефть и вам нужно только уточнить ваши данные. Но с исчерпанием близких к поверхности месторождений нефти с простыми геологическими условиями метод становиться все менее эффективным и нужно покрывать всё бОльшую площадь со всё большей детализацией. А затраты на такое исследование растут пропорционально количеству наблюдений, которые вы записываете, а количество наблюдений растёт в квадрате с ростом площади исследования.

После некой границы ручная обработка данных становиться слишком дорогой и это ограничивает возможности добычи нефти, также как затопляемость английских угольных шахт и мощность ручной/лошадиной откачки ограничивала добычу угля. В обоих случаях понадобилась помощь специальных машин. Для английских шахт нужен был паровой насос, автоматизирующий откачку воды, а для добычи нефти - компьютер, записывающий и просчитывающий за вас всё увеличивающиеся объёмы данных сейсморазведки.

Разведка без iT - деньги на ветер

История сейсмики вертится вокруг компании GSI, которая её первой успешно применила в 1924 году, и информационных технологий. К 1950-м вместо бумажных носителей стали использовать магнитную ленту и аналоговую электронику на базе транзисторов. Пионером в этой инновации было подразделение GSI с неизвестным в то время названием “Texas Instruments” (легендарный изобретатель интегральных схем), а лицензию на производство транзисторов Texas Instruments купила именно для обслуживания потребностей сейсмической разведки. В 1960-х годах был переход от аналоговых систем к первым коммерческим цифровым компьютерам, что позволило увеличить скорость обработки данных и детализацию. Но всё ещё оставалось главное ограничение метода: двухмерность результата.

Первый эксперимент по производству трёхмерных сейсмических карт был проведён в 1972 году силами вышеупомянутого GSI и шести крупных нефтяных компаний. Сбор данных (500000 отдельных записей) занял месяц, компьютерная обработка целых два года. Для нефтяной индустрии проект по сложности был сравним с запускам первого спутника для космонавтики и результат оказался выше всяких похвал: на считавшемся исчерпанном нефтяном плее в штате нью-мексико удалось найти несколько новых месторождений.

Широкое распространение метод получил только в начале 1980-х годов прошлого века и только с развитием нового поколения суперкомпьютеров. Чтобы понять причины, достаточно посмотреть на стоимость одного гигафлопса в фиксированных долларах - ведь только в 1980-е стоимость обработки таких объёмов данных за нормальные сроки стала доступна отдельным крупным компаниям.

Расшифровка данных 3D-сейсмографии требовала колоссальных вычислительных ресурсов и компании 3D-сейсморазведки занимались обработкой полученных данных на мощных суперкомпьютерах того времени. Вот, например, прессрелиз 1996 года о заключении контракта между нефтяной компанией и университетским вычислительными центром Minnesota Supercomputer Center Inc (MSCI), где обработка данных велась на суперкомпьютерах CM-5 от Thinking Machines и T3D компании Cray. Вычислительная мощность составляла 52,6 и 76 гигафлопс, то есть практически без отставания от мирового лидера (150 ГФлопс), а CM-5 даже успел этим лидером побывать. Просто для интереса, параллельно написанию этого текста, я запустил бенчмарк на своём домашнем 4-ядерном core-i5 и получил значение в 89.25 гигафлопс.

Нефтегазовый айфон

Логика причинно-следственных связей тут проста как знаменитое “утром деньги, вечером стулья”. Сначала суперкомпьютеры, потом результативная разведка, потом нефть. В наши дни мы уже не так ограничены вычислительными возможностями и можем обрабатывать на порядки больше данных, чем мы могли даже в конце 1990-х. Из этого следует, что площадь сейсмических исследований уже по сути не ограничена этим аспектом. Но реалисты уже спешат напомнить, что мы живём в физическом мире где нельзя просто взять и опутать 10000 квадратных километров проводами и микрофонами. Что фура с проводами на картинке ниже в этом случае должна быть заменена карьерным грузовиком, а может и целым железнодорожным составом. А количество укладчиков будет сопоставимо с армией КНДР. Да, вы правы, правы.

Ax, если бы мы могли избавиться от проводов, если бы у нас было устройство с сенсорами, микрофоном, GPS, радиопередатчиком, процессором, позволяющим управлять всем этим добром в реальном времени и, конечно, достаточно мощной батарейкой для бесперебойной работы. Кто сказал айфон?

К сожалению, идея уже реализована американской компанией в 2012 году:

Метросексуалы с айфонами в модном электрокаре (слева) против брутальных мужиков с прицепом проводов (справа)

Не отстаёт и православная Газпромнефть, которая испробовала эту технологию сначала в горном и опасном Курдистане, а теперь вовсю использует в замороженных лесах западной Сибири:

Какой вывод? Главное не то что мы имеем от природы и где живём, главное это сумма наших знаний. На примере нефти, не надо пенять на природу, что она дала нам мало нефти - надо просто уметь её искать и добывать. До тех пор, пока мы продолжаем как вид увеличивать сумму знаний, наши возможности будут расти, ведь вселенная переполнена энергией и нужно просто знать как её взять. Сейчас самым главным инструментом познания для нас является компьютер, без которого современное существование просто невозможно. Хотите узнать потенциал цивилизации? Узнайте сколько у неё суперкомпьютеров.

Совместно с plaksiva9tr9pka

Comments

[mikhai1-t.livejournal.com]

Вы посмотрели заголовок который изначально провакационый и очень невнимательно прочитали статью. А датацентер и айфон это стороны одной медали вы не можете сделать не того не другого без развития производительности процессора, а с айфоном я хотел показать как та же самая сумма технологий позволяющия делать айфоны позволяет вам увеличивать количество добываемой нефти.

[ardelfi.livejournal.com]

Прочитал я всё. Нет никакой "медали". Есть индустрия, которая произвела микропроцессор, юникс и интернет более 40 лет назад, а айфон -- аберрация в IT-индустрии. Если хотите найти пример суммы технологий -- это сервер в стойке (http://en.wikipedia.org/wiki/Blade_server), IT-аналог дизельного двигателя для транспорта.

[mikhai1-t.livejournal.com]

Количество серверов в стойке пропорцианально производительности процессора и если вы не хотите строить атомную электростанцию для каждого датацентра вам нужно постоянно увеличивать производительность процессоров, если вы увеличиваете мощность процессоров то это означает, что процессоры для телефонов будут мощнее тоже. Но обратное тоже верно если вы делаете всё более мощные процессоры для телефонов ваши датацентры тоже становятся мощнее. Технологии понижения энергопотребления мобильных процессоров перекачивают в серверные процессоры. Сейчас для многих задач берут сервера именно с изначально мобильными процессорами.

[ardelfi.livejournal.com]

Послушайте и не спорьте. До ~1990 мотиватором развития всей микроэлектроники были суперкомпьютеры, а в девяностых на результатах этого выросли процессоры для ПК: PowerPC -- побочный эффект линии процессоров IBM Power; х86 -- двор-терьер из достижений Интел и всей промышленности. Intel делал интересные машины параллельно с х86, но всё это постепенно ушло в тень и потом в прошлое. Sun делал свой Spark, DEC делал свою альфу -- всё это были шедевры. На них вырос новый рынок ПК, где Интел натаскал по кускам достижения других, постепенно собрав свой винегрет под названием х86 -- в нём нет ничего, что вы не нашли бы в книжках по процессорам издания восьмидесятых. У Интела были свои передовые разработки для суперов, но усилиями макретинга всё свелось к пошлости х86 с выбором между Интел, АМД и иногда третьим вариантом. Попутно умерла альфа, а остальные ушли в ниши (ARM, PowerPC) и встроенные ядра (Spark, MIPS). Последние лет 10-15 процессоры создаются в первую очередь для стоечных серверов. Так вырос из ничего ARM -- они сделали "большой маленький процессор", что нужно только для серверов (критерием оптимизации стала производительность на потребляемую мощность, а не мощность, как раньше), чтобы поддерживать всякие фейсбуки, айфоны и прочие сири и облака. То что началось с прорывов вроде Cray X-1 и альфы, закончилось инбридингом и вырожденной монокультурой нескольких похожих архитектур на все случаи жизни от жопогрейки до датацентра. Так не было никогда, этого никто не хотел, но так получилось. Это тупик, хотя и не глобальный, но приводить айфон в качестве индикатора развития ошибочно. Это выродок лучшего в мире отдела маркетинга, и индикатор частичной деградации всей промышленности, потерявшей ориентир. Теперь вы знаете.

[tr1gger.livejournal.com]

Смартфон -- это лишь интерфейс к датацентру. Воспринимайте айфоны/андроиды как интерфейс к трансатлантическим сетям. Телефон дисковый раньше тоже был лишь конечным интерфейсом к сложным релейным АТС.

[mikhai1-t.livejournal.com]

Я не компетентен в архитектурах чипов до 1990 так, что полностью поверю вам. Но вы упускаете из вида главное, не смотря на неидеальные и скучные по вашем словам архитектуры производительность отдельных чипов , серверов и целых супер компютеров с начала 90х годов вырoсла на много много порядков, конкретно суперкомпютеры сейчас в милион раз мощнее чем машины начала 90х. А айфон это имено индикатор наших сегоднящних возможностей, он просто показывает, что мы можем положить суперкомпютер начала 90х годов в телефон. Если мы можем положить его в телефон то можем и не только в телефон но в любое другое мобильное устройство в частности как я показал в сейсмические датчики которые помогают нам искать новую нефть да и другие минеральные ресурсы.

Вы считаете, что это тупик и дальше мы развиваться не будем, хорошо у вас такое мнение есть и другие мнения. Но уже то, что мы получили нас продвинало очень далеко. Статья в первую очередь о том, что информационые технологии идут впереди новых источников энергии а не о том, что айфон идеален.

[ardelfi.livejournal.com]

Рост производительности процессора с начала 90х до сего дня достигнут почти полностью за счёт прогресса микроэлектронной технологии (производства транзисторов), а не за счёт прогресса в компьютерной архитектуре. Вот вам три примера, начиная с предыстории, с шагом примерно 20 лет:

0. Intel 8008 (http://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8008), первый коммерческий процессор для ПК -- создан в 1970, максимальная тактовая частота 0.8МГц, технологический процесс 10мкм, 3500 транзисторов. Пиковая производительность примерно 200тыс операций в секунду (5 тактов на 1 операцию).

1. Intel i486DX-25 (http://en.wikipedia.org/wiki/Intel_80486) -- создан в 1989 году, максимальная тактовая частота 25МГц, пиковая производительность -- одна операция за такт, технологический процесс 1000нм, 1.185млн транзисторов. Для сравнения, максимальная производительность в тесте Drystone -- 13.3 MIPS (половина от 50МГц версии) (http://www.roylongbottom.org.uk/dhrystone%20results.htm).

Сравните прогресс архитектуры за 20 лет: пиковая производительность на МГц выросла в 5 раз -- с 0.2 до 1 операций за такт.

2. Intel i7-860 (http://ark.intel.com/products/41316/Intel-Core-i7-860-Processor-8M-Cache-2_80-GHz) -- создан в 2009 году, четыре ядера, максимальная тактовая частота 3460МГц. Технологический процесс 45нм, 774млн транзисторов. Максимальная производительность в тесте Drystone -- 10094 MIPS (http://www.roylongbottom.org.uk/dhrystone%20results.htm). В пересчёте на одно ядро -- 193.5млн транзисторов и 2523.5 MIPS.

Сравните прогресс одной компании за 20 лет: рост производительности ядра в 190 раз достигнут за счёт роста тактовой частоты в 138 раз и роста количества транзисторов в 163 раза. Всё это -- в основном прогресс микроэлектронной технологии (способа создания транзисторов): примерный размер элемента (квадрат технологической нормы) уменьшился в 494 раза за 20 лет. А теперь сравните архитектуру: при производительность на мегагерц выросла в 190/138 = 1.38 раза, производительность на транзистор выросла в 1.17 раза. Вот такой прогресс за 20 лет в микроэлектронике и в архитектуре.

Думаю в этом есть показательный аспект: 20 лет множество умных людей с большими зарплатами улучшали процессорную архитектуру, и улучшили производительность за счёт этого на 17%. Другие люди улучшали микроэлектронную технлогию, и улучшили производительность за счёт этого в 138 раз. Развитие архитектуры очевидно зашло далеко в третью часть логистической кривой, и огромные усилия для развития дают нитожный эффект. Учтите это в своих рассуждениях об энергии -- поиски нефти также зашли далеко в третью часть логистической кривой.

Хотел сравнить с Apple A8, но по нему почти нет данных, и к тому же это SoC, а не процессор -- 2 миллиарда транзисторов, 1.4ГГц, и при этом "айфон" со всей этой мощью делает... что? Распознаёт движения пальцев? Вы называете это индикатором прогрессом? Выбор примера был крайне неудачным.

[mikhai1-t.livejournal.com]

То, что у вас отдача от развития архитектуры и от уменьшения транзистора будет разная вполне объективный процесс, если дать утрированную аналогию, если смотреть на скорость самолётов то разработчики новых аэродинамических красок изначально проигрывают разработчикам новых двигателей, если вы хотите максимизировать некий параметр то нужно всегда смотреть на физический фундамент того что вы делаете поскольку самые большие достижения будут именно в фундаменте. Для существующей электроники таким фундаментом был именно минимизация транзистора.

Насчёт поисков нефти вы неправы мы сейчас находимся в этой области только в середине пути да и до середины мы вышли только считанные годы назад.

[ardelfi.livejournal.com]

Вы только что написали приговор Интелу. :) Жаль что он не будет приведён в исполнение.
Относительно нефти, при нынешних ценах по этому пути можно пойти только назад.

[vladimir690.livejournal.com]

По идее развитие должно скоро упереться в закон Абдала (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%90%D0%BC%D0%B4%D0%B0%D0%BB%D0%B0) .Как понял за это направление (по сути прокачку только одной группы мышц) взялись еще японцы когда попытались сделать компьютеры пятого поколения .

[ardelfi.livejournal.com]

Амдала. Только это не закон, а ограничение архитектуры, в которой несколько процессоров сидят на одной шине памяти, а также ограничение ума программистов, которых с первых дней учат думать последовательно на языке программирования, придуманном для однопроцессорных компьютеров (вроде С). Для кластерных архитектур (множество компьютеров в одной сети) актуален только второй аспект проблемы. В целом проблема целиком в головах -- в них всё и упёрлось.

[mikhai1-t.livejournal.com]

Дело не в программистах, программисты как раз спокойно пишут параллельные системы. Абсолютный параллелизм может быть достигнут только если результаты вычислений абсолютно не зависимы один от другого, это далеко не всегда случается.