Файл: История развития средств вычислительной техники (Исторические и теоретические вопросы развития вычислительной техники от древних времён до настоящего времени).pdf

Объёмы потребляемой электроэнергии также значительно уменьшились. Ламповая машина типа «Стрела» потребляла порядка 120 кВт, а полупроводниковая вычислительная машина «Минск-2» потребляла всего 4 кВт. Также многократно возросла надежность ЭВМ благодаря массовому применению полупроводниковых приборов, поэтому в несколько раз увеличилось время безотказной работы узлов и модулей.

Третье поколение ЭВМ (1970-1980 гг.)

Логические схемы ЭВМ 3-го поколения были полностью построены на интегральных схемах малой и средней степени интеграции. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до нескольких мегагерц. Существенно снизились напряжение питания схем (не более 12 В) и расход электроэнергии. Значительно повысились надежность и быстродействие ЭВМ, время наработки на отказ достигло нескольких тысяч часов непрерывной работы.

В оперативных запоминающих устройствах использовались сверхминиатюрные ферритовые сердечники и пластины, магнитные пленки с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве энергонезависимых внешних запоминающих устройств широко стали использоваться дисковые накопители ленточного типа (на катушках).

В составе процессоров появились еще два уровня запоминающих устройств: сверхоперативные запоминающие устройства на триггерных регистрах, имеющие огромное быстродействие, но небольшую емкость (десятки чисел), и быстродействующая кэш-память.

Начиная с этапа широкого использования интегральных схем в компьютерах, технологический прогресс в вычислительных машинах можно наблюдать, используя широко известный «закон» Мура. Один из основателей компании Intel Гордон Мур в 1965 году заметил явную тенденцию, согласно которой количество транзисторов в одной микросхеме, в среднем, удваивается через каждые 1,5 года.

Ввиду существенного усложнения как аппаратной, так и логической структуры ЭВМ 3-го поколения часто стали называть вычислительными системами.

В вычислительных машинах третьего поколения значительное внимание уделяется уменьшению трудоемкости программирования, эффективности исполнения программ в машинах и улучшению общения оператора с машиной. Это обеспечивается встроенными средствами операционных системам (например, как в IBM OS/360), развитой системой автоматизации программирования, эффективными системами прерывания программ, режимами работы с разделением машинного времени, режимами работы в реальном времени, мультипрограммными режимами работы и новыми интерактивными режимами общения. Появилось и удобное устройство общения оператора с вычислительной машиной – видеомонитор, или дисплей.

Большое внимание уделено повышению надежности и диагностике функционирования ЭВМ для облегчения их регулярного технического обслуживания. Диагностика аппаратуры и надежность вычислений обеспечиваются повсеместным использованием кодов с автоматическим обнаружением и исправлением ошибок (корректирующие коды Хемминга и циклические коды).

Четвертое поколение ЭВМ (1980-1990 гг.)

Революционным событием в развитии компьютерных технологий четвертго поколения машин было создание больших и сверхбольших интегральных схем, начало массового выпуска микропроцессоров универсального назначения и персональных компьютеров. Начиная с этого времени, практически все выпускаемые компьютеры стали строится на базе микропроцессорных комплектов (специализированных серий микросхем).

Логические интегральные схемы в компьютерах стали создаваться на основе униполярных полевых CMOS-транзисторов с непосредственными связями, работающими с меньшими амплитудами электрических напряжений.

Оперативная память стала строиться на интегральных CMOS- транзисторных схемах, причем непосредственно запоминающим элементом в них служила паразитная емкость между электродами (затвором и истоком) этих транзисторов.

К этому поколению относятся отечественные ЭВМ серии ЕС: ЕС-1015, ЕС-1025, ЕС-1035, ЕС-1045, ЕС-1055, ЕС-1065(66), СМ-1420, СМ-1600, СМ-1700, многие персональные ЭВМ («Электроника МС0501», «Электроника-85», «Искра-226», ПЭВМ серии ЕС-1840, -1841, -1842 и некоторые другие).

Пятое поколение ЭВМ (1990-2000 гг.)

Основную характеристику ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом:

• Компьютеры на микропроцессорах сверхвысокой степени интеграции с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.
• Компьютеры и вычислительные комплексы с многими сотнями и тысячами параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы массовой обработки данных и базы знаний глобального применения.
• Компьютерные системы «облачного» типа (с очень высокой производительностью) для предоставления вычислительных услуг в аренду сотням тысяч и миллионам пользователей одновременно.

Шестое и последующие поколения ЭВМ

В настоящее время происходит поэтапный переход на электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных систем мозга. Предпринимаются попытки использования и практического внедрения квантовых вычислительных структур для целей связи, шифрования данных, решения сложных математических проблем.

Нейронно-сетевые компьютеры – это компьютеры, которые состоят из большого числа параллельно работающих простых вычислительных узлов (нейронов). Элементы связаны между собой, образуя нейронную сеть определенного типа. Они выполняют каскадные вычислительные операции и не требуют внешнего управления. Большое число параллельно работающих вычислительных элементов в нейронной сети обеспечивают высокое быстродействие таких систем.

Архитектура нейрокомпьютеров другая, чем у обычных вычислительных машин. Их структура близка по строению нейронным сетям человеческого мозга. Идея создания подобных компьютеров базируется на основе теории перцептрона – искусственной нейронной сети, способной обучаться. Первые перцептроны были способны распознавать некоторые буквы латинского алфавита. Впоследствии модель перцептрона была значительно усовершенствована.

Автором этой идеи был американский нейрофизиолог Ф. Розенблат. В 1958 г. Розенблат предложил свою модель нейронной сети. Он указал, что структуры, обладающие свойствами мозга и нервной системы, позволяют получить целый ряд преимуществ, а именно:

• более высокую надежность;
• параллельную обработку информационных потоков;
• способность к обучению и настройке;
• способность к автоматической классификации;
• ассоциативность.

В настоящее время известно более 50 различных видов нейронных сетей, которые используются в практических приложениях, их число постоянно увеличивается, а число научных трудов и публикаций по этой проблематике исчисляется десятками тысяч.

Нейрокомпьютер способен, в некотором смысле, к обучению, а значит, он может справиться с задачами, которые обычный компьютер решить не в состоянии. Его главная особенность – способность решать специфические задачи без четкого алгоритма с большими потоками входной информации. Примером подобных задач могут служить системы распознавания автомобильных номеров на платных автотрассах и системах управления движением, поиск людей через сети видеонаблюдения в общественных местах для борьбы с терроризмом, прогнозирование поведения валютно-фондовых рынков и другие аналогичные области использования.

Критерии классификации компьютеров

К основным характеристикам вычислительной техники относятся такие, как быстродействие, емкость памяти, разрядность шины данных (адреса) и другие параметры. Наиболее часто классификацию компьютеров проводят по их производительности (быстродействию). Быстродействие ЭВМ рассматривается в двух аспектах.

С одной стороны, оно характеризуется количеством элементарных операций, выполняемых центральным процессором в секунду. Элементарная операция – это любая простейшая операция типа сложения, пересылки или сравнения данных и других.

С другой стороны, быстродействие ЭВМ существенно зависит от организации ее памяти. Время, которое необходимо на поиск необходимой информации в памяти, заметно сказывается на общем быстродействии ЭВМ.

Даже для одной конкретной вычислительной машины быстродействие не является величиной постоянной. В связи с этим различают:

• пиковое быстродействие, определяемое тактовой частотой процессора без учета времени обращения к оперативной памяти;
• номинальное быстродействие, определяемое с учетом времени обращения к оперативной памяти;
• системное быстродействие, определяемое с учетом системных затрат времени на организацию вычислительного процесса;
• среднее эксплуатационное быстродействие, определяемое с учетом характера решаемых задач.

Производительность связана в большей степени с архитектурой ЭВМ и разновидностями решаемых задач, в то время как быстродействие обусловлено используемой элементной базой, тактовой частотой и аппаратными особенностями конструкции.

Следует иметь ввиду, что компьютеры по своим техническим характеристикам очень разнообразны в настоящее время, поэтому их начинают классифицировать по размерам, функциональным возможностям, по области назначения и другим критериям. Любая классификация является в некоторой мере условной, поскольку развитие компьютерной науки и техники настолько быстрое, что, например, современный планшетный ПК не уступает по мощности ПЭВМ десятилетней давности и даже суперкомпьютерам недавнего прошлого.

Компьютеры на основе микропроцессоров

Первые электронные компьютеры были созданы более 70 лет назад, и, хотя они и занимали тогда большие помещения, а их быстродействие уже несравнимо даже с быстродействием современных мобильных телефонов и смартфонов, в то время – они вполне удовлетворяли вычислительным потребностям крупных министерств и корпораций. Тем не менее, миниатюризация и стремление сделать компьютеры общественно полезным инструментом привели к тому, что в XXI веке создана настоящая цифровая цивилизация на основе концепции персональных компьютеров (персональной цифровой техники).

В 1950-1960 гг. фирмы производящие компьютеры, которые были тогда доступны лишь крупным компаниям и учреждениям из-за своих размеров и цены, стали стремиться производить компьютеры, которые были бы меньше и дешевле, чем у конкурентов. Это было необходимо в борьбе за покупателей и увеличение объемов продаж на рынке сбыта. Благодаря изобретению транзисторов, малогабаритной памяти на магнитных сердечниках, миниатюризации внешних устройств, и, наконец, появлению интегральных схем, стало возможным появление в 1965 году мини-компьютера PDP-8 достаточно компактных габаритов (размером с холодильник) и стоимостью 20 тысяч долларов. В конце 1970 года был выпущен в продажу первый микропроцессор Intel 4004 – интегральная схема средней степени интеграции, аналогичная по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ. Вслед за ним появились модели процессоров Intel 8008 и 8080 с 8-разрядной архитектурой, которые до конца 1970-х гг. стали стандартом компьютерной индустрии. Вначале эти процессоры использовались только в различных промышленных и специальных устройствах, но с 1975 года, на основе микропроцессора Intel 8080, стали серийно производиться первые персональные компьютеры.

Деловой мир увидел, что покупать компьютеры весьма выгодно: с их помощью стало возможно значительно эффективнее выполнять бухгалтерские расчеты, вести документооборот, составлять и печатать документы и так далее. В результате оказалось, что для многих небольших организаций необходимые им расчеты можно выполнять на персональных компьютерах, что значительно удобнее, чем другими способами.

Распространение персональных компьютеров к концу семидесятых годов привело к некоторому снижению спроса на большие и мини ЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства корпорации IBM. В 1979 году руководство компании IBM решило произвести инновационный эксперимент – попытаться преуспеть на рынке персональных компьютеров. Чтобы не тратить на это направление слишком много денег, руководство IBM предоставило подразделению, ответственному за данный проект, полную организационную свободу. В частности, ему было разрешено не конструировать персональный компьютер «с нуля», а использовать типовые блоки и узлы, изготовленные другими фирмами. И это подразделение сполна использовало предоставленную возможность. Прежде всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был выбран совсем новый (в то время) 16-разрядный микропроцессор Intel 8088. Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайтом оперативной памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами. В компьютере были использованы комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.