В 1970-х годах произошел взрыв в развитии микроэлектроники. Все началось с производства первых однокристальных процессоров: затем многие компании производили чипы по лицензии и совершенствовали их, добавляя новые инструкции и расширяя возможности.
Характеристика гетерогенной системы, классификация, методы фракционирования
Гетерогенная система — это часть Вселенной, занятая атомами, молекулами или ионами так, что они образуют две или более различных фаз. Под «частью вселенной» подразумевается капля, сфера, реактор, скала; а под фазой — состояние или вид агрегации, твердой, жидкой или газообразной…..
Гетерогенность системы отличается от ее определения в одной области знаний к другой. Однако эта концепция имеет много общего с кулинарией и химией.
Например, пицца, поверхность которой заполнена ингредиентами, как на рисунке выше, представляет собой гетерогенную систему. Салат, смесь орехов и зерен или газированный напиток также считаются гетерогенными системами…
Обратите внимание, что элементы просты и могут быть разделены вручную. А как насчет майонеза? Или молоко? На первый взгляд они выглядят однородными, но микроскопически они представляют собой гетерогенные системы, а точнее, эмульсии.
В химии компоненты состоят из реагентов, частиц или исследуемого вещества. Фазы — это просто физические коллекции этих частиц, которые обладают всеми свойствами, характерными для фаз. Таким образом, жидкая фаза спирта «ведет себя» иначе, чем вода и тем более жидкая ртуть.
В некоторых системах фазы идентифицируются как в насыщенном растворе сахара, с кристаллами на заднем плане. Каждый из них может быть классифицирован как однородный сам по себе: Фаза, состоящая из воды в верхней части, и твердая фаза, состоящая из кристаллов сахара, в нижней части.
В случае системы вода-сахар реакции не происходит, а происходит насыщение. В других системах происходит трансформация материи. Простой пример — смешивание щелочного металла, например, натрия, с водой; это взрывоопасно, но первоначально кусочек металлического натрия окружен водой.
Как и в случае с майонезом, в химии существуют гетерогенные системы, которые макроскопически проходят через гомогенные системы, но в свете сильного микроскопа показывают свои истинные гетерогенные фазы…
- 1 Характеристики гетерогенной системы
- 1.1 Степень наблюдения
- 2.1 Насыщенные растворы (жидкость-жидкость, жидкость-твердое вещество, жидкость-газ)
- 2.2 Растворы с осажденными солями
- 2.3 Фазовые переходы
- 2.4 Твердые вещества и газы
- 3.1 Фильтрация
- 3.2 Декантация
- 3.3 Скрининг
- 3.4 Imaging
- 3.5 Центрифугирование
- 3.6 Сублимация
Характеристики гетерогенной системы
Каковы характеристики гетерогенной химической системы? В целом, их можно перечислить следующим образом:
-Состоит из двух или более фаз, поэтому не является однородным.
Обычно она может состоять из одной из следующих пар фаз: твердое тело — твердое тело, твердое тело — жидкость, твердое тело — жидкость, твердое тело — газ, жидкость — жидкость, жидкость — газ; более того, все три фазы могут присутствовать в одной системе твердое тело — жидкость — газ.
-Изначально их компоненты и фазы можно различить с первого взгляда. Поэтому достаточно наблюдать за системой, чтобы сделать выводы на основании ее свойств, таких как цвет, вязкость, размер и форма кристаллов, запах и т.д. делать выводы.
-Равновесие или высокое или низкое сродство между частицами в одной фазе или между двумя различными фазами….
Физико-химические свойства меняются в зависимости от региона или направления системы. Например, такие показатели, как температура плавления, могут варьироваться от одной области неоднородного твердого тела к другой. Кроме того (наиболее распространенный случай), цвета или тона изменяются по всему телу (жидкость или газ) в сравнении.
-Они относятся к смесям веществ, т.е. не применимы к чистым веществам.
Степень наблюдения
Любую однородную систему можно считать неоднородной, если изменить масштаб или степень наблюдения. Например, графин, наполненный чистой водой, представляет собой однородную систему, но если вы понаблюдаете за молекулами, то обнаружите, что их миллионы со своими собственными скоростями…
С молекулярной точки зрения система по-прежнему однородна, поскольку состоит только из молекул H.2О. Однако если уменьшить масштаб наблюдения до атомного уровня, то вода становится неоднородной, поскольку состоит не из атомов одного типа, а из водорода и кислорода.
Поэтому характеристики гетерогенных химических систем зависят от масштаба наблюдения. Если мы посмотрим на микроскопический масштаб, то обнаружим гетерогенные системы.
На первый взгляд однородное и серебристое твердое вещество A может состоять из нескольких слоев различных металлов (ABCDAB .) и поэтому является неоднородным. Следовательно, A является макроскопически однородным, но неоднородным на микро- (или нано) уровне.
Более того, те же атомы являются гетерогенными системами, поскольку состоят из вакуума, электронов, протонов, нейтронов, протонов, нейтронов и других субатомных частиц (например, кварков).
Классификация
Учитывая степень макроскопического наблюдения, определяющего видимые признаки или измеряемые свойства, химические гетерогенные системы можно классифицировать следующим образом:
Насыщенные растворы (жидкость-жидкость, жидкость-твердое вещество, жидкость-газ)
Насыщенные растворы — это тип гетерогенной химической системы, в которой растворитель не может растворяться дальше и образует фазу, отдельную от фазы растворителя. Пример с водой и кристаллами сахара относится к этой категории.
Молекулы растворителя достигают точки, в которой они больше не могут поглощать или растворять растворитель. Дополнительный растворитель, твердый или газообразный, затем быстро восстанавливается, образуя твердые частицы или пузырьки, т.е. систему жидкость-твердое тело или газ-жидкость.
Раствором также может быть жидкость, смешанная с растворителем в определенной концентрации; в противном случае они смешиваются во всех концентрациях и не образуют насыщенного раствора. Смешивание означает, что смесь двух жидкостей образует единую однородную фазу.
С другой стороны, если жидкий раствор не смешивается с растворителем, как в случае смеси масла и воды, то при добавлении меньшего количества раствор становится насыщенным. В результате образуются две фазы — водная и масляная.
Растворы с осажденными солями
Некоторые соли достигают равновесия растворимости, потому что взаимодействия между их ионами очень сильны, и они образуют кристаллы, которые невозможно растворить в воде.
Этот тип гетерогенной системы также состоит из жидкой и твердой фаз, но в отличие от насыщенных растворов, растворителем является соль, для осаждения которой не требуется большого количества.
Например, если два водных раствора ненасыщенных солей, один NaCl, а другой AgNO3нерастворимая соль AgCl выпадает в осадок. Хлорид серебра определяет равновесие растворимости в растворителе, наблюдая в водном контейнере твердое вещество небелого цвета.
Таким образом, свойства этих растворов зависят от типа образующегося осадка. Как правило, соли хрома, как и соли марганца, железа или комплекс металлов, очень цветные. Этот осадок может быть кристаллическим, аморфным или желатинообразным твердым веществом.
Фазовые переходы
Глыба льда может образовывать гомогенную систему, но когда она тает, то образуется дополнительная жидкая водная фаза. Поэтому фазовые переходы материи также являются гетерогенными системами.
Кроме того, некоторые молекулы могут уходить с поверхности льда в газовую фазу. Это связано с тем, что давлением пара обладает не только жидкая вода, но и лед, хотя и в меньшей степени.
Гетерогенные системы фазовых переходов применимы к любому веществу (чистому или нечистому). Таким образом, все твердые вещества, которые плавятся, или жидкости, которые испаряются, относятся к этому типу систем.
Твердые вещества и газы
Очень распространенным классом гетерогенных систем в химии являются твердые вещества или газы с различными компонентами. Пицца на фотографии, например, относится к этой категории. А если бы вместо сыра, перца, анчоусов, ветчины, лука и т.д. и т.п. в нем были сера, древесный уголь, фосфор и медь, то он имел бы другой гетерогенный твердый…. состав.
Характеристики гетерогенной системы
Каковы характеристики гетерогенной химической системы? В целом, их можно перечислить следующим образом:
-Состоит из двух или более фаз, поэтому не является однородным.
Обычно он может состоять из одной из следующих пар фаз: твердое тело-твердое тело, твердое тело-жидкость, твердое тело-газ, жидкость-жидкость, жидкость-жидкость, жидкость-газ.
-Ее компоненты и фазы впервые можно увидеть невооруженным глазом. Поэтому достаточно наблюдать за системой, чтобы сделать выводы на основании ее свойств, таких как цвет, вязкость, размер и форма кристаллов, запах и т.д. делать выводы.
-Равновесие или высокое или низкое сродство между частицами в пределах одной фазы или между двумя различными фазами.
Физико-химические свойства изменяются в зависимости от области или направления системы. Например, значения температуры плавления могут варьироваться от одной области гетерогенного твердого тела к другой. Также (наиболее распространенный случай) цвета или оттенки различаются в сравнении по всему твердому телу (жидкости или газу).
-Это смеси веществ, т.е. это не относится к чистым веществам.
Степень наблюдения
Любую однородную систему можно считать неоднородной, если изменить масштабы или степень наблюдения. Например, графин, наполненный чистой водой, представляет собой однородную систему, но, как показывают молекулы, миллионы из них имеют свои собственные скорости.
С молекулярной точки зрения система по-прежнему однородна, поскольку состоит только из молекул H.2О. Однако если еще больше уменьшить масштаб наблюдения до атомного уровня, то вода становится неоднородной, поскольку состоит не из атомов одного типа, а из водорода и кислорода.
Поэтому характеристики гетерогенных химических систем зависят от масштаба наблюдения. Если мы посмотрим на микроскопический масштаб, то обнаружим гетерогенные системы.
Твердое тело A, которое кажется однородным и серебристым, может состоять из нескольких слоев различных металлов (ABCDAB. ) и, таким образом, быть неоднородным. Поэтому А макроскопически однороден, но неоднороден на микро- (или нано) уровне.
Сами атомы также являются гетерогенными системами, поскольку состоят из вакуума, электронов, протонов, нейтронов и других субатомных частиц (например, кварков).
Классификация
Учитывая макроскопическую степень наблюдения, определяющую видимые характеристики или измеряемые свойства, гетерогенные химические системы можно классифицировать следующим образом:
Насыщенные растворы — это тип химически гетерогенной системы, в которой растворитель не может растворяться дальше и образует фазу, отдельную от фазы растворителя. Пример с водой и кристаллами сахара относится к этой категории.
Молекулы растворителя достигают точки, в которой они больше не могут поглощать или растворять растворитель. Дополнительный растворитель, твердый или газообразный, затем быстро рекомбинирует, образуя твердые частицы или пузырьки, т.е. систему жидкость-твердое тело или жидкость-газ.
Растворитель также может быть жидкостью, которая смешивается с растворителем до определенной концентрации; в противном случае они могли бы смешиваться при любой концентрации и не образовали бы насыщенный раствор. Смешиваемость означает, что смесь двух жидкостей образует единую однородную фазу.
Если, с другой стороны, жидкий растворитель не смешивается с растворителем, как в случае смеси масла и воды, раствор становится насыщенным при добавлении меньшего количества. В результате образуются две фазы: водная и масляная.
Что такое HSA?
Прежде всего, HSA — это в первую очередь открытая платформа, на которой производители микроэлектроники могут создавать свои продукты (независимо от используемого набора инструкций) при соблюдении определенных принципов и общих правил.
В то же время HSA — это процессорная архитектура, объединяющая скалярные вычисления на классических ядрах CPU, массивно-параллельные вычисления на GPU и обработку сигналов на DSP, и связывающая их посредством когерентного доступа к памяти. Другими словами, вся история процессора HSA и видеокарты сходится: Почти 50 лет прогресса в микроэлектронике позволили создать нечто, что логически объединяет лучшие аспекты различных приложений.
Достижения в архитектуре и процессорах x86 привели к появлению высокоэффективных процессорных модулей, которые позволяют выполнять частые задачи при низком энергопотреблении.
Интеграция шейдерных процессоров в ядро GPU и общее упрощение программирования для системы с огромным количеством параллельно работающих программ проложили путь для GPGPU и применения вычислительной мощности видеокарт в областях, где ранее использовались отдельные аппаратные ускорители, которые никогда не могли завоевать значительную долю рынка, чтобы остаться в живых.
Интегрированный контроллер памяти, шины PCIe и ввода-вывода обеспечивает прозрачный доступ к памяти для различных модулей HSA.
Наконец, встроенный DSP разгружает CPU и GPU при работе с видео- и аудиоконтентом, поскольку он предназначен для кодирования и декодирования соответствующих сигналов.
Все эти модули вместе охватывают весь спектр современных задач, и HSA позволяет прозрачно и легко обучать программы работе с разнообразными приложениями, доступными с помощью классических инструментов, таких как языки Java и C++.
Причины создания HSA
Современные реалии (распространение портативных и мобильных электронных устройств, экономические и экологические проблемы) привели к появлению определенных тенденций в развитии микроэлектроники: снижение энергопотребления всех устройств, будь то смартфоны или серверы, увеличение мощности, повышение производительности за счет стандартного обнаружения.
Первый вариант в принципе понятен. Все хотят, чтобы их оборудование служило дольше, при этом его корпус не был толстым, как Биг-Мак, и не нагревался, как сковорода на кухне. У операторов центров обработки данных и так достаточно проблем с теплоотдачей и бесперебойным питанием, а нагрузка в виде дополнительных тепловых пакетов увеличивает стоимость их услуг. Более дорогой хостинг означает больше рекламы на ваших любимых ресурсах, большую нагрузку на процессор машины, более высокое энергопотребление и меньшее время автономной работы.
Сегодня повышение производительности воспринимается как нечто само собой разумеющееся. Люди привыкли к тому, что с 1970-х годов процессоры ежегодно устанавливают новые рекорды производительности, игры становятся все красивее, системы и программное обеспечение все сложнее (без потери визуальной скорости), а современные средства программирования содержат все больше уровней аппаратной абстракции, каждый из которых забирает часть фактической производительности.
Сейчас и современные разработки в области интеллектуальных помощников, виртуальных ассистентов и перспективы развития искусственного интеллекта предъявляют именно такие требования к обычному распознаванию человеческой речи, мимики, жестов, что в свою очередь требует увеличения как непосредственной производительности, так и оптимизации выполняемых задач по декодированию аудио- и видеопотоков.
Все эти проблемы могла бы решить универсальная аппаратная архитектура в виде SoC, которая сочетает в себе прелести классических CPU и GPU и разумно распределяет последовательные и параллельные операции между модулями, которые могут выполнять соответствующие задачи более эффективно.
Но как научить программное обеспечение работать со всем этим вычислительным интеллектом?
Ключевые особенности гетерогенной системы
У программистов не будет проблем с доступом к вычислительной мощности такой системы. Для достижения этой цели HSA имеет некоторые важные особенности, которые облегчают работу с ним разработчикам программного обеспечения и приближают HSA к классическим системам с точки зрения разработки:
- Унифицированная адресация для всех процессоров;
- Полная когерентность памяти;
- Операции в страничной системе памяти;
- Пользовательский режим отправки;
- Управление рабочими очередями на уровне архитектуры;
- Высокоуровневая языковая поддержка для вычислительных процессоров – GPU;
- Смена контекста и вытесняющая многозадачность.
Роль равномерной адресации памяти невозможно переоценить. Как правило, без этого не было бы HSA. Не имеет значения, где данные находятся в памяти, сколько у вас ядер, модулей или вычислительных блоков. Они перемещают указатель и выполняют вычисления, а не «передают» байты от одного исполняемого файла к другому. Разгружается кэш и упрощается управление самим процессором. Удаление памяти на уровне платформы позволяет использовать один и тот же код для разных платформ, что облегчает работу разработчиков программного обеспечения.
Скорость гетерогенной реакции и влияющие на нее факторы
На скорость гетерогенных химических процессов влияют несколько факторов.
Давайте рассмотрим их подробнее.
Концентрация реагентов
Чем выше концентрация веществ, тем сильнее они взаимодействуют. Концентрированная кислота реагирует с цинком гораздо быстрее, чем разбавленная.
Природа реагирующих веществ
Скорость химических процессов зависит от типа реагентов. Другими словами, различные вещества реагируют друг с другом с разной скоростью.
Например, цинк немедленно вступает в реакцию с соляной кислотой, в то время как железо реагирует гораздо медленнее.
Увеличение площади поверхности реагентов повышает скорость гетерогенных реакций. Для этого твердые элементы измельчаются. Пример: Для того чтобы железо и сера вступили в реакцию, железо превращают в опилки.
Температура исходных веществ
Для того чтобы сера и железо могли реагировать друг с другом, железо преобразуется в железо и образует железо. Некоторые вещества реагируют в 2-4 раза быстрее при температуре всего 10 градусов Цельсия.
Наличие катализатора
Для ускорения процессов используются катализаторы. Сами они не потребляются.
Например, добавление оксида марганца вызывает быстрое разложение пероксида водорода 2H2O2= 2H2O + O2↑
Оставшийся на дне оксид марганца можно использовать повторно.
Ингибиторы — это вещества, которые, в отличие от катализаторов, замедляют скорость взаимодействия.
Белки являются катализаторами биологических процессов. Их также называют ферментами.
Поддержка архитектуры HSA
Полная спецификация архитектуры HSA еще не опубликована и в настоящее время разрабатывается в рабочих группах HSA Foundation, но некоторые процессоры уже заявили, что они поддерживают определенную функцию HSA. В частности, используемые в Google Nexus 10 и Google Chromebook системы на кристалле с процессорными ядрами ARM Cortex-A15 и графическими ядрами семейства Mali-T600 поддерживают гетерогенный унифицированный доступ к памяти (hUMA), что повышает производительность приложений OpenCL. По сравнению с традиционной обработкой изображений на базе CPU, композит CPU+GPU позволяет увеличить скорость в 3-15 раз. Процессоры семейства AMD Kaveri также имеют когерентную память hUMA и до четырех ядер с микроархитектурой SteamrollerB, а также графическое ядро GCN с 512 потоковыми процессорами. Алгоритм распознавания лиц в этой конфигурации работает в 2,3 раза быстрее и потребляет в 2,4 раза меньше энергии, чем процессор AMD Triniti предыдущего поколения. Совместная работа ядер CPU и GPU делает такую производительность возможной. Следующим шагом в реализации HSA будет реализация предварительной выборки задач и переключения контекста на ядрах GPU.
Успех внедрения новой архитектуры во многом зависит от того, насколько быстро приложения примут ее. Успех отчасти зависит от того, насколько легко разработчики смогут освоить новую технологию. Архитектура HSA включает в себя аппаратную поддержку, программные интерфейсы, компоненты среды выполнения и модули ядра, которые выполняют основную задачу поддержания согласованной общей памяти и управления очередями, скрывая сложность внутренней реализации от разработчика.
Платформа HSA также предоставляет дополнительную функциональность для графических приложений — приложение может получить доступ к областям памяти, где находятся данные, используемые графическими API. Это позволяет ускорителям использовать графические буферы напрямую для отображения результатов вычислений без вмешательства процессора.
Фонд HSA Foundation берется за решение задачи предоставления разработчикам всех возможностей параллельных и гетерогенных систем без необходимости изучения новых языков программирования путем развития существующих языков и библиотек. Это позволит разработчикам использовать преимущества архитектуры HSA вместе с уже написанными приложениями. AMD, например, начала этот процесс, оптимизировав для HSA свои средства разработки параллельного ПО для гетерогенных сред: OpenCL и C++ AMP.
Также ведется работа по обеспечению поддержки HSA в таких языках, как Java и Python — например, библиотека APARAPI позволяет преобразовывать байткод Java в OpenCL с помощью специального класса Java. AMD и Oracle совместно разрабатывают проект Sumatra, который будет выпущен вместе с Java 9 в 2015 году и который добавит возможность HSA в виртуальную машину Java. В настоящее время стандартные библиотеки обновляются, чтобы многие Java-приложения могли использовать HSA без изменения кода.
Цель HSA — устранить барьер сложности программирования между CPU, GPU и DSP разных типов (рис. 3), уменьшить задержки при их взаимодействии и обеспечить поддержку широкого спектра программных платформ и технологий программирования. Сегодня ускорители GPU/DSP все еще недостаточно гибки для решения многих задач, в то время как архитектура HSA обеспечивает доступ к единому адресному пространству всех вычислительных блоков, механизм управления очередью задач на уровне пользователя и контекстное переключение на основе задач для всех типов вычислительных элементов. HSA объединяет CPU, GPU, DSP и другие ускорители в единую систему с общим принципом вычислений, что значительно облегчает разработчикам решение широкого спектра вычислительных задач.
