FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita PB001: Uvod do informačních technologií Luděk Matýska (Eva Hladká) podzim 2022 Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 1/29 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Obsah přednášky Úvod Technické prostředky Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 2/29 Úvod FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Co může být počítač 1. Babbageův počítací stroj 2. Turingův stroj 3. Kvantový počítač 4. DNA počítač Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 3/29 Úvod FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Babbageův počítací stroj 1. První zmínka 1822 2. Prvenství myšlenky programovatelného počítacího stroje ■ instrukce ■ oddělená datová a programová paměf ■ oddělená vstup/výstupní jednotka ■ řídící jednotka schopna provádět podmíněné skoky 3. Ada Augusta King, hraběnka z Lovelace ■ popis ■ programovací jazyk 4. 1991 sestrojen a prokázána funkčnost Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 4/29 Úvod FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Babbageův počítací stroj Uvod FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Turingův stroj 1. Teoretický modeL výpočetního stroje 2. Problém zastavení Turingova stroje - problém rozhodnuteLnosti 3. Turingův test 4. Zaveden v roce 1936 Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 6/29 Úvod FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Turingův stroj - definice Definice Formálně je Turingův stroj definován jako šestice M = (Q,X,T,S,q0,F) kde: • Q je konečná množina stavů • T je konečná množina páskových symbolů • S C r, S 7^ 0 je konečná množina vstupních symbolů • S:(Q-F)xT^QxTx {-1,0,+1} je přechodová funkce • qo e Q je počáteční stav • F C Q je množina koncových stavů Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 7/ Úvod FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Turingův stroj - schema moving CPU read/write device 1 0 1 1 0 0 1 memory tape Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 8/29 Úvod FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Kvantové počítače ■ Data jsou reprezentována qubity, ne bity ■ superpozice dvou stavů (nula/jedna) ■ DLouho spíše teoretický koncept ■ Změna 1994, publikován Shorův algoritmus pro faktorizaci ■ rychlé řešení specifického NP úplného problému ■ Využívá interferenci ■ „souběžně" zvažuje všechna (i špatná) řešení ■ na konci výpočtu má správné řešení nejvyšší amplitudu („ p ra vd ě pod o b n osť) Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 Úvod FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita DNA počítače ■ Stavy (zadání, postupy i řešení) jsou definovány nukleovými kyselinami (sekvence nukleotidů) ■ Stavy odpovídající zadání si připravíme a smícháme ■ proběhnou interakce (propojení řetězců) ■ mezi výslednými řetězci nimi budou i „správné", tedy ty, co odpovídají hledaným řešením ■ Po ustálení „vytáhneme" nalezená řešení ■ Rychlost rekombinace (interakce) ve velkém množství stavů dělá DNA počítač atraktivní ■ zvládnutelné NP úplné problémy ■ Viz https://www.fi.muni.cz/usr/jkucera/pvl09/ 2002/xhelan_dna ."html ■ Rovněž DNA paměti ■ atraktivní vysoká hustota záznamu ■ stovky PB do jednoho gramu DNA Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 10 / 29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Von Neumanovo schéma 1. 40. Léta 20.stoLetí 2. Nová koncepce toho, co je „počítač" 3. Základní funkční části 4. Dvojková soustava 5. Základ architektur běžných číslicových počítačů Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 11/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Von Neumanovo schéma - obrázek Vstupní zařízení Operační paměť ALU Radič Výstupní zařízení ^ Tok dat Řídící signály radiče Stavová hlásení radiči Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 12/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Základní komponenty ■ Procesor(-řadič)-paměf-periferie: von Neumannova architektura Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 13/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Základní komponenty ■ Procesor(-řadič)-paměf-periferie: von Neumannova architektura ■ Harward memory model: zvlášt paměf pro data a zvlášť pro program ■ základ vnitroprocesorového paralelismu ■ Řízené zpracování dat Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 13/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Procesor ■ Stroj vykonávající instrukce ■ Instrukční cyklus: výběr a provedení instrukce jednou jednotkou ■ Vnitřní hodiny: takt procesoru ■ Základní jednotka sekvenční (ALU, FPU) ■ Může obsahovat více jednotek: vnitřní paraLeLismus Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 14/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Typy procesorů ■ Univerzální ■ CISC: Complex Instruction Set Computer ■ RISC: Reduced Instruction Set Computer ■ S jedním, několika či mnoha jádry části Logiky znásobeny, část sdílena ■ vyšší kumulovaný výkon ■ problém programování paralelního systému (sdílené části slabým místem (bottleneck)) ■ • • • ■ Specializované ■ Vektorové ■ Grafické ■ Embedded Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 15/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Paměť (vnitřní) ■ Uchovává data ■ Přímo adresovatelná: sloupec a řádek ■ Rozsah adres: 16, 32,64, 128, ...bitů ■ Cyklus paměti: doba nezbytná pro vystavení nebo zápis dat ■ Vzpamatování se po provedené operaci, prokládání pamětí ■ Statická vs. dynamická pamět volatilita ■ Hierarchie pamětí ■ Rychlá-pomalá ■ Drahá-levná Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 16/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Paměť (vnitřní) ■ Uchovává data ■ Přímo adresovatelná: sloupec a řádek ■ Rozsah adres: 16, 32,64, 128, ...bitů ■ Cyklus paměti: doba nezbytná pro vystavení nebo zápis dat ■ Vzpamatování se po provedené operaci, prokládání pamětí ■ Statická vs. dynamická pamět volatilita ■ Hierarchie pamětí ■ Rychlá-pomalá ■ Drahá-levná ■ Ilustrace ekonomického imperativu v IT Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 16/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Periferie ■ Zajišťují vstup/výstup informací: ■ komunikace s uživatelem ■ permanentní ukládání dat ■ komunikace s jinými systémy Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 17/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Komunikace s uživatelem ■ Interaktivní ■ Klávesnice: vstup ■ Myš, tablet (ve smyslu perfierie), stylus,...: vstup ■ Obrazovka: výstup i vstup ■ Zvuk: výstup i vstup ■ Dnes již i bezdotykové (kamery, kinect) ■ Dávková: nepřímá, prostřednictvím jiných zařízení Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 18/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Permanentní ukládání dat ■ Paměti (ROM, PROM, EPROM, NVRAM) ■ Disky ■ Magnetické Magnetooptické ■ Optické ■ Solid State Bloková zařízení ■ Pásky Lineární přístup ■ Sítě Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 19/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Permanentní ukládání dat ■ Paměti (ROM, PROM, EPROM, NVRAM) ■ Disky ■ Magnetické ■ Magnetooptické ■ Optické ■ Solid State Bloková zařízení ■ Pásky ■ Lineární přístup ■ Sítě ■ Papír (kámen): trvanlivost! Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 19/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Komunikace s dalšími systémy ■ Počítačové sítě Drátové ■ Metalické/Elektrické ■ Optické Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 20/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Komunikace s dalšími systémy ■ Počítačové sítě Drátové ■ Metalické/Elektrické Optické ■ Bezdrátové ■ Radiové vlny ■ Optické Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 20/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Komunikace s dalšími systémy ■ Počítačové sítě ■ Drátové ■ MetaLické/ELektrické ■ Optické ■ Bezdrátové ■ Radiové vlny ■ Optické ■ Akustické Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 20/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Komunikace s dalšími systémy ■ Počítačové sítě ■ Drátové ■ MetaLické/ELektrické ■ Optické ■ Bezdrátové ■ Radiové vlny ■ Optické ■ Akustické Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 20/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Speciální periferie ■ Virtuální realita ■ Brýle a helmy ■ 3D projekce a prostorový zvuk ■ Haptika (rukavice,...) ■ Detekce polohy a pohybu Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 21/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Speciální periferie ■ Virtuální realita ■ Brýle a helmy ■ 3D projekce a prostorový zvuk ■ Haptika (rukavice,...) ■ Detekce polohy a pohybu ■ Mobilní telefony, phablety a tablety ■ Wearable computers Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 21/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Co je to počítač? ■ Standardní pohled: ■ Procesor(y) ■ Paměf ■ Periferie ■ Možné i jiné pohledy ■ Buněčné automaty ■ Neuronové počítače Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 22/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Paralelní systémy ■ Úzce propojené (tightly coupled) ■ Volně propojené (Loosely coupled) ■ Distribuované ■ Gridy ■ Cloudy Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 23/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Úzce propojené systémy ■ Často společná paměf ■ Minimální vliv vzdálenosti procesorů ■ Speciální propojení procesorů a pamětí ■ Vhodné pro tzv. jemný paralelismus ■ Typický výpočetní model: sdílená paměf (i kdyby byla pouze virtuální) Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 24/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Volně propojené systémy ■ Převážně distribuovaná paměf (každý procesor zvláši) ■ Vzdálenost procesoru může hrát roLi ■ Speciální propojení procesoru ■ Výrazně vyšší Latence (zpoždění) v meziprocesorové komunikaci (jednotky /xs a méně) ■ Existence operací remote put a remote get pro přístup do paměti vzdáleného procesoru ■ Typický výpočetní model: zasílání zpráv Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 25/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Distribuované systémy ■ Rozšíření předchozího modelu ■ Vždy distribuovaná pamef ■ Vzdálenost procesoru hraje významnou roli ■ Propojení procesoru často formou běžné LAN sítě ■ Vysoká Latence v meziprocesorové komunikaci (100/xs až jednotky ms) ■ Typický výpočetní model: zasílání zpráv Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 26/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Gridy ■ Systém distribuovaný po geograficky rozsáhlých prostorech (země, kontinent,...) ■ Propojeny samostatné počítače (včetně paralelních) ■ Propojení počítačů WAN sítí ■ Extrémně vysoká Latence v meziprocesorové komunikaci (desítky až stovky ms) ■ Prakticky jediný výpočetní model: zasílání zpráv Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 27/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Cloudy ■ Spíše způsob použití než (jen) technické řešení ■ Vysoká škáLovateLnost ■ implikuje paralelní/distribuovanou infrastrukturu ■ Přístup přes Internet ■ hardware „skrytý" před uživatelem ■ Nabízí od infrastruktury (virtuální servery) až po služby (Google docs) ■ Interně základ kombinace velkých výpočetních center a gridů ■ pro správce v podstatě stejné problémy Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 28/29 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Cloud computing Cloud computing Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2022 29/29