Похоже наши компьютерные монополии ищут возможности выкачать новые деньги из пользователей ПК. Понятно, что добровольно никто деньги отдавать не хочет, но это можно сделать добровольно — принудительно, как это уже не раз делалось просто снять с производства железо или прекратить поддержку ОС. И вот, в печати промелькнули сообщения о планируемом выпуске новой ОС Windows 8 от Microsoft, вариант которой будет 128 разрядным, мелькало и сообщение о разработке Intel новых процессоров в 128 разрядном исполнении.
Что это?
Необходимость для широкого круга пользователей ПК, для промышленности, для будущего. Или средство подтвердить «Закон Мура» и заработать. Попробуем разобраться.

Как я писал в других статьях, в истории процессора идет наращивание их производительности по нескольким направлениям.

1. Это технологические (снижение технологических норм) и связанные с ними:

• Рост числа транзисторов (ключей) на одном кристалле, который позволяет усложнять архитектуру ядра и перечень команд выполняемых процессором. Сейчас снижение технологических норм идет все медленнее, по причинам все усиливающейся сложности технологических процессов.
• Рост тактовой частоты ядра, которое стабилизировалось в ближайших окрестностях 4 ГГц, в связи с ростом потерь материалах применяемых при производстве чипов на более высоких частотах для существующих технологий.

При этом мощность тепловыделения с кристалла остановилась на уровне около 100 Вт. Ее величина определяется теплопроводностью структуры чипа процессора, неравномерностью тепловыделения разных узлов процессора и в связи с этим ростом градиентов температур на поверхности кристалла. Все это и существующая эффективность системам отвода тепла существенно снижают надежность процессоров.

2. И архитектурные:

• за счет усложнения архитектуры процессора (по моим наблюдениям тоже наблюдается некоторый застой), новые решения сводятся не к решениям принципиально ускоряющим скорость вычислений, а к применению встроенных блоков выполняющих новые команды. Что конечно приводит к ускорению выполнения этих команд, но не к кардинальному увеличению скорости процессора.
• В том числе увеличения разрядности процессора (шины, длины регистров)

 

История развития процессоров показывает, что увеличение разрядности процессоров связывается скорее с ростом адресного пространства и увеличением длины и сложности выполняемых команд. При этом рост быстродействия процессоров за счет увеличения не рассматривается (вероятно из-за незначительности величины), и относится всеми авторами скорее к освоению все более тонких технологических процессов.

 

Мнения.

 По мнению Sun, в ее ОС Solaris (вечная ей память)

 По мнению профессионалов

 

Но насколько это необходимо для бытовых и офисных применений или основной массы пользователей?

Попробуем разобраться с практической точки зрения.

 

Разрядность и динамический диапазон представляемых данных.

Рассмотрим 2 вида данных с которыми работает пользователь на своем домашнем компьютере.

Это звук и растровое изображение.

 

Разрядность данных звука.

Таблица 2.

 

Звук - это аналоговый сигнал.

Главная характеристика звука — коэффициент нелинейных искажений.

 

Коэффициент нелинейных искажений описывает: - степень отличия выходящего из устройства сигнала от поступающего на его вход, другими словами, искажения аудио сигнала, подаваемого на вход устройства, к произведенным им искажениям и/или побочным звукам на его выходе.

 

Коэффициент нелинейных искажений, таким образом, показывает степень искажений звука, обусловленных техническими параметрами устройства.

 

В компьютере звук преобразуется в цифровую форму и в этом виде обрабатывается, преобразуется в требуемые форматы.

Для преобразования в цифровую форму через заданный интервал времени с помощью АЦП (аналого-цифровой преобразователь) производится считывание амплитуды сигнала в цифровой форме, а для воспроизведения на аналоговом устройстве обратное преобразование с помощью ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь).

Коэффициент нелинейных искажений вносимый при оцифровке звука определяется как разрядностью преобразования, так и частотой этих преобразований.

Разрядность преобразования амплитуды звукового сигнала ограничена динамическим диапазоном существующих звуковых сигналов (см. табл.1) для человеческого уха и ее глубина более 27 бит уже выходит за границы динамического диапазона слуха.

Частота преобразований никак не связана с разрядностью, но избыточность ее приводит к многократному увеличению объема оцифрованного аудио файла. Разумные с точки зрения практики оцифровки звука, ограничения частоты преобразований (дискретизации) приводят к искажению звука начиная с частот на которых на полуволну приходится, например 3-5 оцифровок.

Коэффициент нелинейных искажений главным образом влияет на частотную оценка сигналов, окраску звука, тембр, обертоны, другие параметры воспроизведения звука. Звук в виде человеческой речи, музыкальных произведений представляет собой сумму многих составляющих с разными амплитудами (громкостью) в динамическом диапазоне указанном в табл. 1 и частотой в диапазоне от 15 Гц до 20 кГц. Для качественного преобразования и воспроизведения количество этих преобразований в единицу времени может и должно быть много больше 44 кГц (минимум 3-5 отсчета на самой высокой частоте частотного диапазона).

Как уже говорилось выше, качество преобразования звуковой волны в цифровую форму обусловлена двумя параметрами: частотой дискретизации и разрядностью АЦП. От значений этих двух параметров зависят не только качество звучания, но и объем памяти, необходимый для хранения звукового файла.

Частота дискретизации - это частота измерения (преобразования) характеристик звукового сигнала.

Разрядность записанного звука - это количество битов памяти, которые выделяются для записи каждого значения амплитуды звукового сигнала в момент его измерения.

Звуковые платы используют разрядность 8 или 16 битов на одно измерение, что соответствует 256 и 65536 различным уровням сигнала. Существуют и более высококачественные -24 и 32-разрядные платы, где различаются 16,7х10⁶ и 4,29х10⁹, соответственно, уровням сигнала.

Этот параметр прежде всего определяет динамический диапазон воспроизводимого звука, то есть во сколько раз интенсивность самого громкого звука может быть больше, чем интенсивность самого тихого. Эта величина обычно выражается в логарифмическом масштабе и измеряется в децибелах. Для 8-разрядного звука динамический диапазон составляет всего 48 дБ, для 16-разрядного он равен 96 дБ, для 24 разрядного — 144 дб, а для 32 разрядного — 192 дб.

Для оценки приведенных динамических диапазонов, приведу уровень шума самолет на расстоянии 3 м — до 130 дб, Болевой порог человека 160 дб.

Если записываемый звук имеет большие перепады в громкости (например, звучание симфонического оркестра), то при его записи с недостаточной разрядностью происходят сильные искажения сигнала. Поэтому профессиональные звуковые карты имеют разрядность 20 или даже 22 бита.

С точки зрения динамического диапазона увеличение разрядности более чем 24 нецелесообразно

Очевидно, что чем больше разрядность, тем точнее представлен звук в цифровой форме. И тем меньше нелинейные искажения синтезируемого ПК звука (при условии достаточности количества выборок за единицу времени). Разрядность 24 бита основана на представлении звука в числах с фиксированной запятой, а 32 бита – с плавающей.

Нельзя забывать, что размер звукового файла зависит как от разрядности звука, так и от частоты дискретизации. (технически существует возможность повысить частоту дискретизации многократно, но...)

Так, при частоте дискретизации 44 кГц и разрядности измерения 16 битов необходимо 5,3 Мбайтов на одну минуту звучания, а при частоте дискретизации 11 кГц и разрядности 8 битов - 0,66 Мбайтов. Чтобы быть услышанным человеческим ухом, частота осуществления выборки должна быть в некотором диапазоне. Так как цифровые звуковые данные требуют для хранения большого количества памяти, то следует организовать обработку, во время которой звуковые данные будут сжаты в более компактное представление.

Поэтому повышение разрядности процессоров и ОС свыше 32 для обработки звука какого либо улучшения его (звука) характеристик не предполагает и поэтому едва ли может быть признана целесообразной для серийного ПК и широкого круга пользователей. Скорее для повышения качества звука требуется увеличение числа отсчетов, чем увеличение разрядности.

 

Разрядность данных видео и графики

Растровая графика.

Следующая таблица иллюстрирует различные типы изображений в терминах их разрядности, числа возможных цветов и общеупотребительных названий.

 

bpp	Число цветов	Название
1	2	Монохром
2	4	CGA
4	16	EGA
8	256	VGA
16	65536	XGA, High Color
24	16777216	SVGA, True Color
32	16777216 + прозрачность	CMYK (с прозрачностью)
48	281 триллион

Таблица 3.
bpp – Бит на пиксель

 

Тонкости цвета

Человеческий глаз может различить порядка 10 миллионов цветов, посему сохранять изображение с большей разрядностью, чем 24 bpp, избыточно, если оно предназначено только для просмотра. С другой стороны, изображения с разрядностью выше 24 bpp полезны, поскольку они лучше выдерживают последующую обработку изображений.

Глубина цвета, как мы уже говорили в главе 1, определяется количеством цветов, которые могут быть переданы (представлены), или количеством разрядов (битов) цифрового кода, содержащим описание цвета одного пиксела. Одно с другим связано простой формулой:

 

N_цветов = 2^{n бит}

 

Аналогично со звуком происходит преобразование цвета в видео и графике. Только частота дескретизации в этом случае определяется частотой обновления экрана.

При этом для каждого цвета (в применяемой системе цветообразования) стоит свой АЦП, который преобразует яркостный сигнал каждого из считываемых цветов в цифровой.

Термином разрядность цвета обозначается число двоичных разрядов (битов), используемых для хранения значения цвета. Это несколько мудреное определение, тем не менее, именно оно отражает сущность данного понятия.
Число возможных значений растет согласно экспоненциальному закону. Единственный бит позволяет хранить два возможных значения цвета. Два бита — уже четыре возможных значения цвета и т. д.
Стандартом для цифровых изображений, получаемых с помощью цифровых камер, являются файлы с разрядностью цвета 8(16 384 цветов) или 16 (65 536 цветов) бит на каждый из трех каналов, определяющих значения отдельных пикселов.
Большинство современных фотографических сенсоров позволяют сохранять изображения с максимальной глубиной цвета в 12 бит. Зачем нужна цветовая информация с такой глубиной? Ведь она не понадобится, если во время съемки все параметры были выбраны идеально: экспозиция, правильный баланс белого и контраст.
Отличие между 8- и 16-разрядными изображениями состоит в числе регистрируемых значений цветовых тонов. Как правило, высокоразрядное изображение содержит больше информации для коррекции цветовых тонов. Даже если в результате такой коррекции (увеличения контраста или других изменений) теряются детали в некоторых значениях цветовых тонов, огромное число последних на каждый канал компенсирует эти потери по сравнению с коррекцией 8-разрядных изображений. Поэтому даже при относительно большой коррекции высокоразрядных изображений в окончательном изображении получают абсолютно плавные изменения градаций серого или цветовых тонов, которые воспроизводятся при печати с разрядностью цвета 8 бит на каждый канал.
Обработка 8-разрядных изображений достаточно проста. Такие изображения фиксируются в стандартных форматах JPEG и TIFF. Достаточно сделать снимок, загрузить полученное изображение в компьютер и приступить к его обработке — никаких предварительных операций не требуется. С другой стороны, 8-разрядные изображения не содержат дополнительной информации, как 16-разрядные. Поэтому уже на этапе съемки необходимо весьма тщательно установить экспозицию, чтобы свести правку к минимуму. Ошибки экспозиции на 8-разрядных снимках «вылезают» намного явственнее. Это может выразиться в нарушении плавного изменения градаций серого или цветовых тонов, и даже в потере деталей в светотени. В плане точного отображения цвета и освещения намного более привлекательным выглядят 16-битные изображения. К сожалению, в большинстве своем 16-разрядные изображения могут фиксироваться только цифровыми фотокамерами, поддерживающими так называемый формат RAW. Есть отдельные модели камер, которые могут использовать 16-битный TIFF, но это достаточно большая редкость.
Главное преимущество формата RAW перед стандартными JPG и TIFF состоит в том, что он может содержать намного больше информации о цветовых тонах или градациях серого, при этом его объем сравнительно невелик. Благодаря этой особенности даже при значительной правке можно получить изображение высокого качества, что почти недостижимо для 8-разрядных изображений. Стоит отметить, что данный формат предназначен лишь для хранения необработанных данных, полученных от датчика изображения, и для последующей обработки должен быть преобразован в более пригодный для этого формат.
Для того чтобы выбрать между 8- или 16-разрядными изображениями, нужно снова подумать, как будут использоваться эти снимки. Разумеется, для фотографий произведений искусства или снимков, сделанных при сложных условиях освещения или для передачи нюансов освещения, нужно использовать высокоразрядные изображения, поскольку они обеспечивают значительно более высокое качество. Для рекламных объявлений или съемки родственников за праздничным столом вполне достаточно 8-разрядных, упрощающих весь процесс их обработки.
Нужно заметить, что если изображение не зафиксировано в высокоразрядном формате, то дополнительную информацию о цвете внести в файл иным способом невозможно. Поэтому, если есть такая возможность, лучше всего фиксировать изображения в высокоразрядном формате.

 

Векторная графика

Векторная графика пока применяется, в большинстве случаев, в профессиональных приложениях.

В векторной графике работа с глубиной цвета и цветом аналогична растровой графике. Поэтому информация о цветности содержащаяся в векторных файлах при разрядности более 32 может быть признана избыточной для типовых приложений.

Но поскольку векторная графика работает с точками и линиями их соединяющими, то уже сейчас при работе с координатами в ней применяются вычисления с плавающей точкой (запятой), что обеспечивает необходимую точность вычислений и построений. С ростом разрядности процессоров и операционных систем растет разрядность задания координат точек и узлов, а вот где предел должны определять не разработчики ОС или производители процессоров, а специалисты в прикладных отраслях знаний.

Для векторной графики разрядность при вычислениях координат точек может быть ограничена только необходимой точностью их задания.

 

Разрядность вычислений

Роберт Морган (Robert Morgan), который имеет статус «Microsoft Research employee» написал в LinkedIn, что он работает в сверхсекретном отделе исследований, в область которого входит разработка 128 битной архитектуры, совместимой с ядром Windows 8.
Его страничка на LinkedIn'е сейчас отключена.

 

Увеличение адресного пространства

Разрядность процессора – это величина, которая определяет размер машинного слова, то есть количество информации, которой процессор обменивается информацией с оперативной памятью.

Что касается оперативной памяти, то в этом и заключается вся суть.

Из простых математических преобразований для 32 битной системы получаем 2^32=4294967296 байт = 4 ГБ. То есть, в 32 битном адресном пространстве, ячейки памяти условно расположенные за пределом 4ГБ просто не получат адреса и не будут использоваться. В 64 битной системе, размер адресного пространства 2^64= 18446744073709551616. Разница видна не вооружённым взглядом.

Из этого всего следует вывод, что ключевым фактором расширения разрядности системы пока является размер ОЗУ. А дальше?

Так же хочу добавить, что 64-х разрядные операционные системы Windows использую в состояние простоя в среднем на 300 МБ [1] больше оперативной, чем 32-х разрядные. Реально этот объем растет вдвое. На счет мифа, что x64 работает быстрее, чем x86, то это не совсем так. Прирост будет наблюдаться только в оптимизированных под x64 приложениях где-то на 3-5%, но не забывайте, что, возможно, некоторые 32-битные приложения просто не запустятся.

 

Преимущества роста разрядности операционных систем и процессоров

 - Увеличения адресного пространства.

Увеличение разрядности системы и процессора при переходе от 32 разрядной к 64 разрядной системе дает возможность многократного увеличение адресного пространства, использовать которое сложно в обозримом будущем.

Существуют решения позволяющие обойти ограничения накладываемые 32 разрядной системой на размер адресного пространства,

Например:

Потребности в адресном пространстве для оперативной памяти удовлетворяет решение придуманное Intel для процессора Xeon, когда вся память разбивается на блоки, и в адресе отдельной ячейки сначала значится номер содержащего ее блока, а затем ее номер внутри блока. Таким образом, в Xeon для адресации стали использоваться 36-битные числа, а значит, предельный объем памяти возрос до 64 Гб.

32 разрядная система с 36 разрядным адресным пространством удовлетворяет все потребности бытового и офисного применения компьютеров и большинство промышленных назначений. Тем более, что цены на оперативную память ограничивают рядового пользователя в безграничном наращивании ее объемов.

В 64 разрядной системе, теоретически максимальный объем оперативной памяти составит более 18 экзабайт (экзабайт, грубо говоря, равен миллиону терабайт), конечно, в реальных системах это значение ограничивается куда меньшей величиной.

 - Более высокая точность вычислений.

В 64 разрядной системы с ростом разрядности имеет место и прирост точности вычислений, но пока эти требования возникают только в прикладных специализированных вычислениях.

 - Прирост скорости вычислений.

Наращивание разрядности системы, вопреки ожиданиям, не дает прироста производительности системы пропорционального приросту разрядности (2х кратного).

Существует мнение:

регистры общего назначения используются для целочисленных вычислений (вычисления над числами с плавающей точкой проходят по довольно сложному механизму, в котором разрядность не играет ключевой роли). Таким образом, переход на 64 бита позволит за одну арифметическую операцию обрабатывать числа размером до 64 бит. Это, конечно, замечательно, однако потребность в работе с числами, выходящими за границу двух миллиардов (32 бита), возникает крайне редко. Разве что подобное нововведение будет по достоинству оценено теми, кто работает с криптографией и над серьезными научными исследованиями.

 

Недостатки роста разрядности ОС и процессоров

Увеличение длины слова (разрядности) требует для него увеличения объема выделяемой памяти, что замечено при переходе с 32 разрядных систем на 64 разрядные.

Существенный рост объемов оперативной и постоянной памяти по сравнению с существующими системами ограничен из-за их высокой цены, что оказывает существенное влияние на их объемы в бытовых и офисных применениях.

 

 

И как подтверждение всему сказанному...

здесь попавшаяся мне информация. Производитель программы Autopano Giga предназначенной для работы с графикой (позволяющая объединять несколько фотоснимков с частичным перекрытием в большой панорамный снимок) дает следующие данные:
Программа предназначена для работы под управлением: Windows 2000/XP/Vista/7 (x86, x64)
Стандартная версия		Portable версия
x86	x64	x86	x64
Размер: 39,9 МБ	Размер: 51,5 МБ	Размер: 30,7 МБ	Размер: 43,9 МБ
Прирост объема >30%		Прирост объема >40%

 

В версии программы для систем х64 имеет прирост объема программного кода от 30 до 40 процентов.

Подобным образом растут требования к оперативной памяти. Все это в свою очередь требует оперирования большими объемами данных. Как Вы понимаете это требует дополнительных ресурсов компьютера.

 

Заключение

Для основной массы пользователей сейчас достаточной является система с 32 разрядным процессором.

64 разрядная система улучшает работу компьютеров в профессиональных прикладных применениях в математике, разных отраслях физики, геодезии и картографии, криптографии и при работе с базами данных. Увеличение разрядности системы более 64, с точки зрения настоящего времени, может быть интересно только узкому кругу прикладных задач.

Наращивание разрядности системы дает возможность, еще некоторое время, продлить действие рекламной акции под названием «Закона Мура».

А подогревая ажиотаж на преимуществах новинок, за счет рядовых потребителей оплатить и освоить производство процессоров достаточно специфического (узкого) назначения.

При применении систем с увеличением разрядности требуется замена применяемого пользователем ПО. Прикладного и типового. Это раскрутка пользователей купивших компьютеры с предустановленной 64 и более разрядной ОС на приобретение новых версий программ, работающих в них. Характеристики подавляющего большинства из них при этом не претерпят существенных улучшений.

 

 

Как никто не думает о применении в домашних и офисных системах производительных процессоров Xeon, Obteron, Itanium, так со временем затихнут и разговоры о применении в них 128 разрядных систем (процессоров и ОС).

128 разрядные системы конечно будут востребованы на домашних ПК со временем, когда на компьютере окончательно приживется 3х мерный звук, объемное изображение, и не та жалкая имитация что нам демонстрируют сейчас, а в виде голографических объемных систем. По моему мнению для этого потребуется не менее нескольких десятков лет.

64 разрядные системы будут не востребованы на домашних ПК до тех пор пока потребитель не поймет и не увидит явные преимущества этих систем.

А пока увы ...

P.S.

Здесь не обсуждаются серверные применения x64, х128, ... систем. Они имеют свои преимущества и недостатки и их должны рассматривать в другом месте.

 

Ссылки:

1. Как правильно выбрать разрядность ОС?, http://www.tehnari.ru/f37/t25773/  и http://viennaos.net/base/page,1,4,1123-kak-pravilno-vybrat-razryadnost-os.html

2. Зачем нам столько бит: технологии 64-битных процессоров, http://www.xard.ru/post/11764/

3. Что такое 64-битные системы, http://www.viva64.com/ru/l/0001/

4. “Зачем нужны 64-разрядные вычисления?”, http://ru.sun.com/products/solaris/s64-bit/index.jsp

5. В чём трудность реализации 128 битного процессора?, http://otvety.google.ru/otvety/thread?tid=2b4c6d4365ab0207

6. Методы увеличения вычислительной производительности, http://www.ixbt.com/cpu/cpuspeed.shtml

7. «32 или 64 на Windows Vista», http://www.oszone.net/4335#5

8. Эра больших чисел. 64 бит процессоры., http://www.fkorum.kr.ua/CPU64

9. Забытые проблемы разработки 64-битных программ, http://www.codenet.ru/progr/cpp/64bit/Forgotten-Problems.php

10. 64 бита - "народные" и не очень, http://citforum.ru/hardware/microcon/64bit/

 

А Сорокин

2011-2013 г.