Ο χρόνος τελειώνει για τα ρολόγια που κάνουν τους υπολογιστές μας να χτυπούν! Επιστήμονες έχουν αναπτύξει μια καινούρια γενιά hardware και software που βασίζεται σε απλά μοντέλα που εμφανίστηκαν στις αρχές του 1950. Τα ασύγχρονα ή αλλιώς συστήματα ελεύθερα χρονισμού, υπόσχονται περισσότερη ταχύτητα, προστασία, ασφάλεια και μικρότερο μέγεθος
Ο χρόνος τελειώνει για τα ρολόγια που κάνουν τους υπολογιστές μας να χτυπούν! Επιστήμονες έχουν αναπτύξει μια καινούρια γενιά hardware και software που βασίζεται σε απλά μοντέλα που εμφανίστηκαν στις αρχές του 1950. Τα ασύγχρονα ή αλλιώς συστήματα ελεύθερα χρονισμού, υπόσχονται περισσότερη ταχύτητα, προστασία, ασφάλεια και μικρότερο μέγεθος. Τα νέα μοντέλα δουλεύουν καλά στο εργαστήριο και το μόνο που περιμένουν είναι η ανάπτυξη εργαλείων λογισμικού έτσι ώστε να μπορούν να παραχθούν εμπορικά, δηλώνει ο καθηγητής Alex Yakovlev και οι συνεργάτες του, από το Τμήμα της Επιστήμης των Υπολογιστών, στο Πανεπιστήμιο του Newcastle, στην Αγγλία.
Αυτήν την εβδομάδα η ομάδα από το Newcastle θα παρουσιάσει δύο εργασίες στο διεθνές συμπόσιο με τίτλο International Symposium on Advanced Research into Asynchronous Circuits and Systems στο Manchester της Αγγλίας. Η μία εργασία εξηγεί τις τελευταίες τεχνικές που έχει αναπτύξει η ομάδα για την κατασκευή ασύγχρονων συστημάτων, ενώ η άλλη αναφέρεται στη μέτρηση της μεταστάθειας-ενός προβλήματος που μπορεί να είναι το "θανατηφόρο" χτύπημα για τους συμβατικούς υπολογιστές.
Eπειδή οι υπολογιστές στις αρχές του 1950 ήταν σχετικά απλοί, μπορούσαν να λειτουργήσουν χωρίς χρονισμό. Από τότε που εφευρέθηκαν γρηγορότερα και πιο πολύπλοκα συστήματα, στην δεκαετία του 60, όλος ο σχεδιασμός hardware βασίστηκε στην αρχή του ρολογιού-ενός μικροηλεκτρονικού κρυστάλλου ο οποίος μεταδίδει γρήγορους παλμούς ηλεκτρικού ρεύματος για να συγχρονίσει την ροή των δεδομένων. Στα μοντέρνα PC, αυτό είναι η καρδιά του επεξεργαστή Pentium. Όμως τα υπολογιστικά συστήματα σήμερα είναι τόσο πολύπλοκα που ο χρονισμός παρουσιάζει περιορισμούς στην απόδοση. Οι ηλεκτρικοί παλμοί, παρόλο που ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, δεν είναι αρκετά γρήγοροι για να διατηρήσουν ακριβή χρόνο καθώς επισκέπτονται 10 εκατομμύρια τρανζίστορ μόνο σε ένα τσιπάκι.
Το αποτέλεσμα είναι ότι αρχίζουν και εμφανίζονται λάθη στα δεδομένα. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως μεταστάθεια (metastability), ένα βασικό και άλυτο πρόβλημα το οποίο αυξάνει συνεχώς την δυσκολία στους σχεδιαστές τέτοιων συστημάτων, οι οποίοι πρέπει να ισορροπήσουν την απαίτηση για ταχύτητα και πολυπλοκότητα στα συστήματα με την ανάγκη για αξιοπιστία.
Μιλώντας με δυαδικούς όρους, σύμφωνα με τον καθηγητή Yakovlev, τα εισερχόμενα δεδομένα έχουν ένα όριο μεταστάθειας στο οποίο μπορεί να είναι, είτε σωστά είτε λάθος. Ένα σύστημα που δίνει λανθασμένα αποτελέσματα στον χρήστη που το χρησιμοποιεί είναι ανώφελο για αυτόν και μπορεί να έχει σαν αποτέλεσμα μια ολοκληρωτική καταστροφή στην βιομηχανία όπου η αξιοπιστία είναι τόσο σημαντική όπως για παράδειγμα στην αεροπλοΐα. Ένα υπολογιστικό λάθος θα σήμαινε ολοκληρωτική καταστροφή. Τα ασύγχρονα συστήματα βασίζονται σε ένα πρωτόκολλο μετάδοσης δεδομένων και μια παραδοχή που δεν ρυθμίζεται από το χρόνο. Αυτό μπορεί να συμβεί είτε τοπικά σε έναν υπολογιστή είτε μεταξύ περισσότερων υπολογιστών. Πριν ανταλλαχθούν τα δεδομένα πρέπει να υπάρξει μια συμφωνία για το κοινώς αποδεκτό πρωτόκολλο.
Τα ρολόγια των υπολογιστών παράγουν θερμότητα στις υψηλές συχνότητες αφού καταναλώνουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Αν τα αντικαταστήσουμε τότε θα επιτραπεί σε όλους τους φορητούς υπολογιστές να καταναλώνουν πολύ λιγότερη ενέργεια, δίνοντας την δυνατότητα για ακόμα μικρότερα και ελαφρύτερα μεγέθη. Οι χάκερς επίσης θα έχουν προβλήματα με τα ασύγχρονα συστήματα, μια και δεν θα υπάρχει καθορισμένο πρωτόκολλο μεταφοράς των δεδομένων, επιτρέποντας την κρυπτογράφηση των πληροφοριών πολύ πιο αποτελεσματικά απ' ό,τι σήμερα.
Ο καθηγητής Yakovlev πιστεύει ότι οι υπολογιστές-χρονισμού είναι κοντά στο τέλος της εποχής τους, με τους σχεδιαστές να αντιμετωπίζουν αυξημένες δυσκολίες καθώς τα συστήματα γίνονται όλο και πιο πολύπλοκα. Ωστόσο αναγνωρίζει ότι ένα από τα βασικότερα προβλήματα για την είσοδο των ασύγχρονων συστημάτων στο εμπόριο είναι το γεγονός ότι η αγορά έχει μάθει σε συστήματα με χρονισμό. Είναι πολύ δύσκολο να πείσεις όλο αυτόν τον κόσμο να αλλάξει σύστημα εργασίας. Έχουμε δείξει, συνεχίζει, ότι τα ασύγχρονα συστήματα δουλεύουν σωστά όμως χρειάζεται να αναπτύξουμε απλά εργαλεία για εμπορικό σχεδιασμό και δοκιμαστικούς σκοπούς. Κατά την άποψή του αυτό είναι το τελευταίο κομμάτι για να ολοκληρωθεί το παζλ.
Ένα από τα βασικά εμπόδια είναι ότι ο σχεδιασμός στα ασύγχρονα συστήματα απαιτεί την χρήση μιας νέας γλώσσας προγραμματισμού, η οποία ονομάζεται Petri Net. Στο Newcastle οι ερευνητές αναπτύσσουν ένα σύστημα σχεδιασμού που αντιμετωπίζει αυτό το πρόβλημα με αυτόματη μετάφραση της γλώσσας Petri Net σε παραδοσιακές γλώσσες προγραμματισμού. Τέτοιες εφαρμογές κάνουν την ασύγχρονη τεχνολογία ακόμα πιο ελκυστική για εμπορική χρήση και υπάρχουν σημάδια ότι έρχεται η παρακμή των παραδοσιακών συστημάτων πλησιάζει. Οι επιστήμονες μιλούν για την ανάπτυξη ενός ενδιάμεσου συστήματος, το οποίο το ονομάζουν GALS (Globally Asynchronous, Locally Synchronous - με χρονισμό στον τοπικό υπολογιστή, χωρίς χρονισμό με τους υπόλοιπους υπολογιστές).
Είναι ήδη γνωστό ότι η εταιρία ηλεκτρονικών Philips έχει ήδη παράγει πειραματικά κάποιες ασύγχρονες συσκευές και προσπαθεί να αναπτύξει και άλλες που βασίζονται στην ίδια λογική. Επίσης κυκλοφορεί η φήμη ότι μια πρωτοπόρα κατασκευαστική εταιρία σχεδιάζει στην επόμενη γενιά επεξεργαστών να υπάρχουν τουλάχιστον κάποια ασύγχρονα τμήματα.