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

В августе 1981 года новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Через два года компьтер IBM PC стал фактическим стандартом персонального компьютера. Сейчас подобные компьютеры («совместимые с IBM PC») составляют около 85% всех производимых в мире персональных компьютеров. В чем же причина их блестящего успеха? В концепцию IBM PC была заложена возможность усовершенствования его отдельных частей и независимого использования новых устройств по модульному принципу в рамках общей архитектуры. Корпорация IBM сделала свой персональный компьютер не монолитным и неразборным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимых отдельных блоков, аналогично детскому конструктору. При этом интерфейсы и протоколы сопряжения отдельных устройств с компьютером IBM PC были доступны всем желающим. Действительно, персональный компьютер очень напоминает обыкновенный конструктор: схемы, управляющие всеми устройствами – монитором, дисками, принтером, модемом и другими компонентами, реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы системной платы – слоты. Весь компьютер питается от единого блока питания. Этот принцип, названный принципом открытой архитектуры, наряду с другими достоинствами обеспечил потрясающий успех персональному компьютеру IBM. В настоящее время индустрия производства компьютеров и программного обеспечения для них является одной из наиболее важных сфер экономики развитых стран. Ежегодно в мире продаются десятки миллионов компьютеров и еще больше программ для них. Крупные производители компьютерной техники вкладывают миллиарды долларов в научно-исследовательские разработки, а бюджеты компьютерных игр превосходят бюджеты кинофильмов. В чем же причина такого стремительного роста индустрии персональных компьютеров? Одна из причин – их невысокая стоимость и удобство использования для многих деловых применений по сравнению с большими ЭВМ на тот период. Но есть и другие очевидные причины:

• простота использования, обеспеченная интерактивным диалоговым взаимодействием с программами, их удобным интерфейсом (меню, пиктограммы, подробная справочная система и пр.);
• полная персональная доступность компьютера, то есть возможность взаимодействия с ним без посредников и каких-то формальных ограничений;
• относительно высокие возможности по переработке информации (скорость вычислений – несколько сотен миллионов операций в секунду, большая емкость оперативной памяти и магнитных носителей);
• высокая надежность и простота ремонта, основанные на интеграции компонентов компьютера;
• возможность расширения и адаптации к особенностям применения компьютеров – один и тот же компьютер может быть оснащен различными периферийными устройствами и разным программным обеспечением;
• наличие программного обеспечения, охватывающего почти все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки новых программ.

Персональные компьютеры и рабочие станции

Персональные компьютеры (ПК) появились в результате эволюции миникомпьютеров при переходе элементной базы машин с малой и средней степенью интеграции на большие и сверхбольшие интегральные схемы. ПК, благодаря своей низкой стоимости, очень быстро завоевали хорошие позиции на компьютерном рынке и создали предпосылки для разработки новых программных средств, ориентированных на конечного пользователя. Это прежде всего – графический интерфейс, а также проблемно-ориентированные среды и инструментальные средства для автоматизации разработки прикладных программ.

Первоначальная ориентация рабочих станций на профессиональных пользователей (в отличие от ПК, которые в начале ориентировались на самого широкого потребителя, необязательно профессионалов) привела к тому, что рабочие станции – это высокопроизводительные вычислительные системы, в которых высокое быстродействие сочетается с большим объемом оперативной и внешней памяти, высокопроизводительными внутренними магистралями, высококачественной и быстродействующей графической подсистемой и разнообразными устройствами ввода/вывода.

Тем не менее, быстрый рост производительности ПК на базе новейших микропроцессоров Intel в сочетании с резким снижением цен на эти изделия и развитием технологии локальных шин (PCI, AGP и PCI-E), делают современные персональные компьютеры весьма привлекательной альтернативой рабочим станциям. В свою очередь производители рабочих станций создали версии компьютеров так называемого «начального уровня», которые по стоимостным характеристикам близки к высокопроизводительным ПК, но все еще сохраняют лидерство по производительности и возможностям наращивания.

Современный рынок персональных ЭВМ не просто определить. По сути он представляет собой совокупность архитектурных платформ персональных компьютеров и рабочих станций, которые появились в настоящее время, поскольку поставщики компьютерного оборудования уделяют все большее внимание рынку продуктов для коммерции и бизнеса. В прошлом персональные компьютеры не были достаточно мощными и не располагали достаточными функциональными возможностями, чтобы служить адекватной заменой подключенных к главной машине терминалов.

Персональные компьютеры в настоящее время имеют достаточную производительность, а рабочие станции имеют программное обеспечение, способное выполнять большинство функций, которые стали ассоциироваться с понятием «персональной рабочей станции». Вероятно, оба этих направления могут серьезно рассматриваться в качестве сетевого ресурса для систем масштаба предприятия. В результате этих изменений практически ушли со сцены старомодные миникомпьютеры с их патентованной архитектурой и использованием присоединяемых к главной машине терминалов. По мере продолжения процесса совершенствования архитектуры и увеличения производительности платформы Intel наиболее мощные ПК стали использоваться в качестве серверов, постепенно заменяя миникомпьютеры. Среди других факторов, способствующих этому процессу, следует выделить: Применение ПК стало более разнообразным. Помимо обычных для этого класса систем текстовых процессоров, даже средний пользователь ПК может теперь работать сразу с несколькими прикладными пакетами, включая электронные таблицы, базы данных и высококачественную графику.

Широкое распространение систем мультимедиа прямо зависит от возможности использования высокопроизводительных ПК и рабочих станций с адекватными аудио и графическими средствами, и объемами оперативной и внешней памяти. Слишком высокая стоимость ЭВМ типа мэйнфреймов и даже систем среднего класса помогла сместить многие разработки в область распределенных систем и систем клиент-сервер, которые многим представляются вполне оправданной по экономическим соображениям альтернативой. Эти системы основаны на высоконадежных и мощных персональных компьютерах и серверах.

Производители рабочих станций быстро отреагировали на потребность в недорогих моделях для рынка коммерческих приложений. Потребность в высокой вычислительной мощности на рабочем столе, объединенная с желанием поставщиков ПК продавать как можно больше своих изделий, привела такие компании как Sun Microsystems и Hewlett Packard на рынок ПК и ноутбуков. И хотя значительная часть систем этих фирм все еще ориентирована на технические решения промышленного типа, наблюдается быстрый рост продаж продукции этих компаний для работы с коммерческими приложениями, требующими все большей и большей мощности для реализации сложных, сетевых прикладных систем, включая широкие мультимедийные возможности.

Острая конкуренция со стороны других производителей и потребности в повышении производительности огромной уже имеющегося парка ПК, заставили компанию Intel форсировать разработку высокопроизводительных процессоров семейства Pentium. Процессоры Pentium, при разработке которого были использованы многие подходы, применявшиеся ранее только в RISC-процессорах, а также использование других технологических усовершенствований, таких как архитектура локальной шины, позволили снабдить ПК достаточной мощностью, чтобы составить конкуренцию рабочим станциям во многих направлениях рынка коммерческих приложений.

Суперкомпьютеры

К классу суперкомпьютеров относят такие компьютеры, которые имеют максимальную производительность по сравнению со всеми прочими на текущий момент времени.

Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений. В этих машинах операции выполняются параллельно, то есть – одновременно, в нескольких вычислительных узлах могут выполняться множества однотипных операций. Нужно отметить, что предельно достижимое быстродействие обеспечивается не для всех видов вычислительных задач, а только для тех задач, которые могут быть решены с помощью алгоритмов распараллеливания.

Арифметико-логическое устройство суперкомпьютера устроено по принципу конвейера. Здесь можно привести такой пример для сравнения – на каждом рабочем месте выполняется один шаг производственного процесса, а на всех рабочих местах в одно и то же время обрабатываются различные изделия на всевозможных стадиях.

Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами –векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном – команды обрабатывают вектор данных целиком.

Суперкомпьютеры используются чаще всего для решения очень сложных и ресурсоёмких задач в следующих областях науки и техники:

• авиация и автомобилестроение;
• астрофизика и космология;
• нефте-и газодобыча;
• фармакология и медицина;
• прогноз глобальной погоды и моделирование изменений климата;
• сейсмология и прогнозирование землетрясений;
• химические исследования.

Начиная с 1975 г. американской фирмой Сrау Research стали выпускаться суперкомпьютеры типа «Сrау». «Сrау-1» имел оперативную память емкостью 8 Мбайт и производительность не менее 160 MFLOPS. Компьютеры фирмы Cray Research стали классикой в области суперкомпьютеров с векторно-конвейерной архитектурой. Компьютер «Cray-1», работа над которым была завершена в 1976 г., относится к классу первых сверхвысокопроизводительных векторных компьютеров. Производительность «Cray-1» составляла 166 млн. операций в секунду. Компьютер был собран полностью на интегральных схемах, а система команд включала 128 инструкций.

«Эльбрус» – серия советских суперкомпьютеров, разработанных в 1970–1990-х гг. В 1977 г. завершилось создание многопроцессорного вычислительного комплекса (МВК) « Эльбрус-1», а в 1979 г. начались работы над проектом МВК «Эльбрус-2». «Эльбрусы» создавались для обслуживания комплексов противоракетной обороны. Основным требованием было создание вычислительного комплекса с быстродействием 100 млн. операций в секунду. Было очевидно, что при существующем уровне

элементной базы достичь такого быстродействия на одном процессоре абсолютно невозможно. Поэтому разработчиками было принято решение использовать многопроцессорный подход и принцип параллельных вычислений.

Целый ряд западных фирм-разработчиков в своем стремлении реализовать многопроцессорность для высокой производительности терпели неудачу: увеличение числа процессоров не давало соответствующий рост производительности. Поэтому делались машины на двух-трех процессорах и преимущественно для того, чтобы обеспечить работу вычислительной системы без сбоев. Конструкторы машин типа «Эльбрус» впервые в мире показали, что восемь процессоров могут работать с потерей производительности не более чем на 3…5%. Всего же и «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2» могли включать до десяти центральных процессоров плюс несколько модулей ввода/вывода и более десятка спецпроцессоров передачи данных для сопряжения с линиями связи.

«Эльбрус-1» имел быстродействие до 15 млн. операций в секунду, а объем оперативной памяти до 64 Мбайт. Пропускная способность каналов ввода-вывода достигала 120 Мбит/с. Элементная база – микросхемы средней степени интеграции. Очень высокая производительность многопроцессорного комплекса достигалась за счет применения оригинальных архитектурных решений. Ниже перечислены некоторые из этих решений:

• перестановка операций;
• динамическое назначение регистров;
• генерация более одной команды за такт;
• принципиально новая возможность – защищенное программирование. Каждое слово в «Эльбрусе» имело специальный разряд (тег), описывающий тип передаваемых данных. Механизм тегов гарантировал, что за правильностью операций над конкретным типом данных будет следить сам процессорный блок.

Такой автоматический контроль операций во время счета позволял обнаруживать множество самых запутанных ошибок в момент их возникновения, тем самым значительно ускоряя процесс отладки программ. Большинство из этих возможностей будут реализованы в западных компьютерах значительно позже. Преимущества разработанной архитектуры позволили не только достичь предельной производительности, но и добиться высокого уровня надежности при существующей, на тот момент, надежности электронных узлов и компонентов. Каждый отдельный блок комплекса полностью контролировался специальной системой диагностики, которая в случае любой одиночной ошибки выдавала сигнал неисправности. По этому сигналу операционная система через аппаратно реализованную систему диагностики исключала неисправный модуль из работы системы. Затем подключался резервный модуль, а неисправный мог быть изъят из вычислительного блока, отремонтирован и повторно использован при необходимости.

«Эльбрус-1» и «Эльбрус-2» были идентичны по архитектуре, но второе поколение строилось на более совершенной элементной базе –интегральных схемах большой степени интеграции. По результатам государственных испытаний в 1985 г. «Эльбрус-2» имел быстродействие не менее 125 млн. операций в секунду. Емкость банка оперативной памяти составляла до 144 Мбайт. Процессорный модуль «Эльбрус-2» включал 8 отдельных процессоров.

В 2005 г. фирма IBM представила суперкомпьютер типа «BlueGene/L» с производительностью более 280 триллионов операций в секунду. В состав суперкомпьютера «BlueGene/L» входят 131072 процессора. Следующая модель семейства BlueGene – модель «BlueGene/P», максимальная производительность которой составляет более 3 квадриллиона операций в секунду, или 3 петафлопс. Эта машина рассчитана на работу со средней постоянной нагрузкой не менее 1петафлопс. Это примерно в 100000 раз больше, чем мощность среднего домашнего персонального компьютера.