Файл: История развития средств вычислительной техники (Начало вычислений – ручной счёт).pdf

В 1939 году в Endicott laboratories в IBM началась работа над Harvard Mark I. Официально известный как Automatic Sequence Controlled Calculator, Mark I был электромеханическим компьютером общего назначения, созданного с финансированием IBM и при помощи со стороны персонала IBM, под руководством гарвардского математика Howard Aiken. Проект компьютера был создан под влиянием Аналитической машины Ч. Бэббиджа, с использованием десятичной арифметики, колёс для хранения данных и поворотных переключатей в дополнение к электромагнитным реле. Машина программировалась с помощью перфоленты, и имела несколько вычислительных блоков, работающих параллельно. Более поздние версии имели несколько считывателей с перфоленты, и машина могла переключаться между считывателями в зависимости от состояния. Тем не менее, машина была не совсем Тьюринг-полной. Mark I был перенесён в Гарвардский университет и был запущен в работу в мае 1944 года.

«ENIAC»

ENIAC (ЭНИАК) выполнял баллистические расчёты и потреблял мощность в 160 кВт

Рисунок 7 «ЭНИАК»

Американский ENIAC, который часто называют первым электронным компьютером общего назначения, публично доказал применимость электроники для масштабных вычислений. Это стало ключевым моментом в разработке вычислительных машин, прежде всего из-за огромного прироста в скорости вычислений, но также и по причине появившихся возможностей для миниатюризации. Созданная под руководством Джона Мочли и Дж. Преспера Эккерта (J. Presper Eckert), эта машина была в 1000 раз быстрее, чем все другие машины того времени. Разработка «ЭНИАК» продлилась с 1943 до 1945 года. В то время, когда был предложен данный проект, многие исследователи были убеждены, что среди тысяч хрупких электровакуумных ламп многие будут сгорать настолько часто, что «ЭНИАК» будет слишком много времени простаивать в ремонте, и тем самым, будет практически бесполезен. Тем не менее, на реальной машине удавалось выполнять несколько тысяч операций в секунду в течение нескольких часов, до очередного сбоя из-за сгоревшей лампы.

«ЭНИАК», безусловно, удовлетворяет требованию полноты по Тьюрингу. Но «программа» для этой машины определялась состоянием соединительных кабелей и переключателей — огромное отличие от машин с хранимой программой, появившихся позже. Тем не менее, в то время, вычисления, выполняемые без помощи человека, рассматривались как достаточно большое достижение, и целью программы было тогда решение только одной единственной задачи. (Улучшения, которые были завершены в 1948 году, дали возможность исполнения программы, записанной в специальной памяти, что сделало программирование более систематичным, менее «одноразовым» достижением.)

Переработав идеи Эккерта и Мочли, а также, оценив ограничения «ЭНИАК», Джон фон Нейман написал широко цитируемый отчёт, описывающий проект компьютера (EDVAC)^[23], в котором и программа, и данные хранятся в единой универсальной памяти. Принципы построения этой машины стали известны под названием «архитектура фон Неймана» и послужили основой для разработки первых по-настоящему гибких, универсальных цифровых компьютеров.

4. Поколения ЭВМ

В основу периодизации ЭВМ по поколениям (являющейся все-таки относительной) положены следующие факторы:

физико-технологический принцип (поколение машины определяется в зависимости от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления);
уровень программного обеспечения;
быстродействие и др.

Как правило, границы поколений четко не определены, так как в один и тот же период выпускались машины разного уровня.

Первое поколение машин

Элементная база: электронно-вакуумные лампы.
Соединение элементов: навесной монтаж проводами.
Габариты: ЭВМ выполнена в виде громадных шкафов.

Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства.

Лампы потребляли большое количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Быстродействие: 10−20 тыс. операций в секунду.
Эксплуатация: сложная из-за частого выхода из строя электронно-вакуумных ламп.
Программирование: машинные коды. При этом надо знать все команды машины, двоичное представление, архитектуру ЭВМ. В основном были заняты математики-программисты. Обслуживание ЭВМ требовало от персонала высокого профессионализма.
Оперативная память: до 2 Кбайт.
Данные вводились и выводились с помощью перфокарт, перфолент.

Первые ЭВМ использовались в основном для научных расчетов. Машины первого поколения размещались в огромных залах (типа спортивных). Тысячи электронных ламп быстро нагревали помещение, высокая температура снижала надежность ЭВМ.

К концу жизненного цикла первого поколения появился первый язык высокого уровня – ФОРТРАН.

Второе поколение машин

Элементная база: полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды).
Соединение элементов: печатные платы и навесной монтаж.
Габариты: ЭВМ выполнена в виде однотипных стоек, чуть выше человеческого роста, но для размещения требовался специальный машинный зал.
Быстродействие: 100−500 тыс. операций в секунду.
Эксплуатация: вычислительные центры со специальным штатом обслуживающего персонала, появилась новая специальность — оператор ЭВМ.
Программирование: на алгоритмических языках, появление первых операционных систем.
Оперативная память: 2−32 Кбайт.
Введён принцип разделения времени - совмещение во времени работы разных устройств.
Недостаток: несовместимость программного обеспечения.

Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного обеспечения. Появились также специализированные машины, например, ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д.

Третье поколение машин

Элементная база: интегральные схемы.
Соединение элементов: печатные платы.
Габариты: ЭВМ выполнена в виде однотипных стоек.
Быстродействие: 1−10 млн. операций в секунду.
Эксплуатация: вычислительные центры, дисплейные классы, новая специальность- системный программист.
Программирование: алгоритмические языки, операционные системы.
Оперативная память: 64 Кбайт.

Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие, повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

Четвертое поколение машин

Элементная база: большие интегральные схемы (БИС)
Соединение элементов: печатные платы.
Габариты: компактные ЭВМ, ноутбуки.
Быстродействие: 10−100 млн. операций в секунду.
Эксплуатация: многопроцессорные и многомашинные комплексы, любые пользователи ЭВМ.
Программирование: базы и банки данных.
Оперативная память: 2−5 Мбайт.
Телекоммуникационная обработка данных, объединение в компьютерные сети.

Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что ведет к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. Элементная база способствовала миниатюризации ВТ, повышению ее надежности, позволила создавать мини- и микро-ЭВМ по своим возможностям превосходящие большие ЭВМ предыдущего поколения.

Примерно в это же время один из основателей Intel Гордон Мур (Gordon Earle Moore (03.01.1929 - ) нашел закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно год после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое. Он предсказал, что к 1975 году количество элементов в чипе вырастет до 2¹⁶ (65536) с 2⁶ (64) в 1965 году. Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально. Это наблюдение получило название — закон Мура. И несмотря на то что это было эмпирическое наблюдения на относительно малом объёме данных – его действие наблюдается уже почти 50 лет

Рисунок Действие закона Мура

Примером отечественных компьютеров четвертого поколения может служить многопроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус". Эльбрус-1 имел быстродействие до 12 млн. операций с плавающей точкой в секунду, а объем оперативной памяти до 64Мб^[24]. Пропускная способность каналов ввода-вывода достигала 120 Мб/с. В 1978 году в Советском Союзе было начато производство универсальных многопроцессорных комплексов четвертого поколения Эльбрус-2. Эльбрус-2 имел производительность до 125 млн. операций в секунду, емкость оперативной памяти до 144 Мб или 16 Мегаслов (слово 72 разряда). В 1979 году была завершена разработка вычислительной системы ПС-2000.

Персональный компьютер

Вначале микропроцессоры использовались в различных специализированных устройствах, например, в калькуляторах. Но в 1974 г. несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intel-8008 персонального компьютера, т.е. устройства, выполняющего те же функции, что и большой компьютер, но рассчитанного на одного пользователя. В начале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый персональный компьютер Альтаир-8800 на основе микропроцессора Intel-8080. И хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом: в первые же месяцы было продано несколько тысяч комплектов машины.

Покупатели снабжали этот компьютер дополнительными устройствами: монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти и т.д. Вскоре эти устройства стали выпускаться другими фирмами.

В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Альтаиро интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это также способствовало популярности персональных компьютеров. Персональные компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год.

В 1986 году Дэниел Хиллис (Thinking Machines Corp.-Корпорация думающих машин) сделал шаг вперед в создании искусственного интеллекта, он разработал концепцию массового параллелизма, которую воплотил в машине соединений (Connection Machine). Машина использовала 16000 процессоров и могла совершать несколько миллиардов операций в секунду. Каждый процессор имел небольшую собственную память, и был связан с другими процессорами через гибкую сеть, которую пользователи могли изменять, перепрограммируя структуру компьютера. Система связей позволяла процессорам передавать информацию и запрашивать помощь других процессоров, как в модели мозга. Используя систему связей, машина могла работать быстрее, чем любой другой компьютер при решении задач, которые можно распределить для параллельного решения на многих процессорах.

В 70е годы архитектура вычислительных машин строилась с использованием различных принципов параллелизма, которые позволяли сделать очередной рывок производительности. От миллиона операций в секунду к десяткам и сотне миллионов. Основными пользователями советских супер-ЭВМ были организации, которые решали секретные задачи обороны, реализовывали атомную и ядерную программы. Но в 1979 году в стенах Института проблем управления АН СССР (ИПУ) завершается разработка высокопроизводительной вычислительной системы ПС-2000, предназначавшейся для сугубо мирных нужд. Аббревиатура ПС означает «перестраиваемые структуры». Так называемыми однородными решающими полями - структурами из однотипных процессорных элементов, способных параллельно обрабатывать данные, - в ИПУ начали заниматься в конце 60-х. Лидером этого направления был академик Ивери Варламович Прангишвили.

В работе приняло участие Северодонецкое научно - промышленное объединение (НПО) «Импульс». Замечательно то, что найденные специалистами из ИПУ принципы однородных решающих полей не требовали сверхмощной элементной базы для создания высокопроизводительной параллельной машины. Для ПС-2000 и последовавшей за ней системы ПС-3000 электронная промышленность не выпустила ни одной заказной микросхемы. При этом вычислительные комплексы ПС-2000 обгоняли дорогостоящие «Эльбрусы», обеспечивая быстродействие до 200 млн. операций в секунду. Проходившие испытания восемь опытных образцов машины продемонстрировали на геофизических задачах суммарную производительность порядка 1 млрд. операций в секунду.