Файл: История и периоды развития средств вычислительной техники.pdf

Споры особенно разгорелись при обсуждении двух принципиально новых подходов к разработке будущих компьютеров IBM. Согласно первому из них любая новая машина должна быть универсальной, т. е. справляться с широким спектром задач – от решения логических и вычислительных задач научного характера до обработки данных в сфере управления и бизнеса (название серии указывало именно на способность машин работать во всех направлениях). Однако до начала 1960-х гг. компьютеры конструировались в расчете либо на научное, либо на управленческое применение. К этому времени компьютеры, предназначенные для научных исследований, все чаще стали применяться в сфере бизнеса, и наоборот. Данная тенденция не осталась незамеченной в IBM.

Второй подход предполагал, что новые компьютеры должны быть совместимы друг с другом. В те годы в фирме IBM насчитывалось около 20 конструкторских бюро, разрабатывавших машины, мало приспособленные для обмена данными или программами между собой. Несовместимость машин различных моделей была характерна для компьютерной индустрии: каждая модель имела собственный центральный процессор и систему ввода-вывода, т. е. аппаратуру и правила связи между компьютером и такими устройствами, как клавиатура или принтер.

Технология «Системы-360» действительно стала поворотной точкой, так как совместимость ее моделей позволяла более гибко применять их ресурсы. До появления «Системы-360» пользователи были ограничены готовыми конфигурациями аппаратуры и программного обеспечения, которые поставлял изготовитель. Теперь владельцы вычислительной техники могли сами подбирать комплект аппаратуры и программного обеспечения, наиболее подходящий для конкретных условий.

Когда машины, управляемые компьютерами, связаны в единую систему, коэффициент их использования (т. е. та часть рабочего времени, в течение которой станки действуют) достигает 50–90 %, тогда как коэффициент загруженности отдельных машин, даже с компьютерным управлением, составляет лишь 10–30 %.

2.4. Четвертое и последующие поколения ЭВМ

В 1970 г. сотрудник компании Intel Марсиан «Тед» Хофф (1937 г. р.) создал первый микропроцессор, разместив несколько интегральных микро- схем на одном кремниевом кристалле. Это революционное изобретение кардинально перевернуло представление о компьютерах как о громоздких, тяжеловесных монстрах. С микропроцессором появились микрокалькуляторы – компьютеры четвертого поколения, способные разместиться на письменном столе пользователя [17, с. 52].

---

В 1967 г. завершена разработка первого объектно ориентированного языка программирования Simula.

Микропроцессоры, перечисленные в табл. 1, отражают важнейшие этапы развития этой отрасли. Первый из микропроцессоров Intel-4004, выпущенный в 1971 г., обрабатывал за одну операцию 4 бита данных. Такой компьютер мог выполнять 60 тыс. оп./с и стоил всего 300 долл. С этого времени быстродействие, сложность и вычислительная мощность микропроцессоров возрастали по экспоненциальному закону. В 1981 г. Фирма Hewlett-Packard («Хьюлетт-Паккард») выпустила первый 32-битный суперчип, на разработку которого потребовалось более 1,5 лет.

Таблица 1 - Технические характеристики некоторых микропроцессоров

Микропроцессор	Intel-4004	Intel-8080	«МОП- Технолоджи 6502»	«Моторола- 68000»	«Хьюлетт- Паккард суперчип»
Год выпуска	1971	1974	1975	1979	1981
Число Элементов	2250	4500	4300	70 000	450 000
Быстродействие	Складывает два 4-битных числа за 11 мкс	Складывает два 8-битных числа за 2,5 мкс	Складывает два 8-битных числа за 1 мкс	Умножает два 16-битных числа за 3,2 мкс	Умножает два 32-битных числа за 1,8 мкс
Значение	Первый микропроцессор	Первый универсальный микропроцессор; стал стандартом микрокомпьютерной технологии	Быстродействующий и дешевый; широко применялся в домашних компьютерах	Один из самых мощных и универсальных 16-битных микропроцессоров; производит умножение как одну операцию, а не путем повторных сложений	Первый 32-битный микропроцессор сложной конструкции

К этому же времени относится поколение компьютеров, характеризующихся использованием больших (БИС) (1000–100 000 компонентов на кристалл) и сверхбольших (СБИС) (100 000–10 000 000 компонентов на кристалл) интегральных схем. Компьютеры данного поколения в 1975 г. выпустила фирма Amdahl Corporation. Шесть компьютеров AMDAHL 470 V/6 в качестве элементарной базы имели БИС. В них стали использоваться быстродействующие системы памяти на интегральных схемах емкостью в не- сколько мегабайт. Особенность таких компьютеров в том, что в случае выключения машины данные, содержащиеся в оперативной памяти, сохранялись путем автоматического переноса на диск.

---

При включении запуск системы осуществлялся при помощи хранимой в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) программы самозагрузки, обеспечивающей выгрузку операционной системы и резидентного программного обеспечения в магнито-оптическом ПЗУ ПВ.

В 1966 г. М. Флинн предложил классифицировать вычислительные системы по соотношению потоков команд и данных. Этот подход используется до наших дней.

Основоположником архитектуры ЭВМ CISC (Complete Instruction Set Computer – компьютер с полным набором команд) считают компанию IBM с ее базовой архитектурой IBM-360, ядро которой используется с 1964 г.

К классическим CISC-архитектурам можно отнести архитектуру VAX. Микропроцессоры компании Intel (архитектурный ряд х86 и Pentium) достаточно близки к данной архитектуре.

Для CISC-процессоров характерно:

- сравнительно небольшое число регистров общего назначения;

- большое число машинных команд, некоторые из них функционально аналогичны операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за несколько тактов;

- большое число методов адресации;

- большое число поддерживаемых форматов команд различной разрядности;

- преобладание двухадресного формата команд.

Архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer – компьютер с сокращенным набором команд) появилась благодаря тому, что еще в середине 1970-х гг. некоторые разработчики компьютерных архитектур заметили, что даже у компьютеров сложной архитектуры бол ьшая часть времени уходит на выполнение простых команд. Это наблюдение легло в основу работ по созданию IBM 801 – первой RISC-машины, разработка которой была завершена в 1979 г. Понятие RISC введено Д. Паттерсоном, преподавателем университета Беркли, в 1980 г.

Основными чертами концепции RISC-архитектуры являются:

- одинаковая длина команд;

- единый формат команд или, по крайней мере, использование не более двух-трех форматов;

- операндами всех арифметических и логических команд могут быть только регистры;

- наличие команд только простых действий;

- выполнение любой команды не дольше, чем за один такт;

- большой регистровый файл;

- только простая адресация.

В системах программирования для RISC-архитектуры практически всегда присутствуют оптимизирующие компиляторы.

Архитектура VLIW (Very Long Instruction Word – с длинным команд-ным словом) – статическая суперскалярная архитектура. Несколько простых команд упаковывается компилятором в длинное слово. Слово соответствует набору функциональных устройств. Распараллеливание кода выполняется на этапе компиляции, и в машинном коде уже присутствует явный параллелизм. Пример реализации VLIW-архитектуры – суперкомпьютер «Эльбрус-3».

---

Развитием данной архитектуры являются вычисления с явным параллелизмом команд EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing – с явным параллелизмом команд). Концепция EPIC разработана совместно компаниями Intel и Hewlett-Packard. Она обладает достоинствами VLIW, но лишена ее недостатков (например, использует специальные механизмы для исключения неэффективности кодов традиционных VLIW-архитектур, требовавших применения излишних команд для заполнения пустых машинных тактов). Данная архитектура имеет следующие особенности:

- масштабируемость архитектуры до большого числа функциональных устройств;

- явный параллелизм в машинном коде;

- предикатное выполнение команд, исключающее переходы. Команды из разных частей условного ветвления снабжаются предикатными полями и запускаются параллельно [8, с. 57].

В середине 1970-х гг. предпринимались попытки создать персональный компьютер – вычислительную машину, предназначенную для частного пользователя. Во второй половине 1970-х гг. появились наиболее удачные образцы микрокомпьютеров американской фирмы Apple. В августе 1981 г. фирма IBM создала компьютер IBM РС, после чего персональные компьютеры получили широкое распространение.

Применение принципа открытой архитектуры, стандартизация основных компьютерных устройств и способов их соединения привели к массовому производству клонов IBM РС, распространению микрокомпьютеров во всем мире.

В 1974 г. появился первый персональный компьютер SСELBI (SCientifiс, ELectronic and BIological), который был построен на базе Intel-8008, имел 1 Кб памяти и стоил 565 долл. Желающие могли увеличить память до 16 Кб за 2760 долл.

В 1975 г. IBM первой начала промышленное производство лазерных принтеров (через год разработала первый струйный принтер). Эти аппараты стоили в то время очень дорого. Например, Хеrох 9700 (120 страниц в минуту) в 1977 г. можно было приобрести за 350 тыс. долл.

В 1984 г. фирма Hewlett-Packard выпустила свой первый лазерный принтер LaserJet.

Отцом «искусственного интеллекта» (ИИ) называют Джона Маккарти (1927–2011), который ввел данный термин и создал первый язык искусственного интеллекта LISP. Одни восхищались этим языком за его чистоту, другие усиленно использовали его для различных вычислений. Данный язык называют языком функций, символьным языком, рекурсивным языком или языком программирования функционального типа, в основу которого положен метод Х-исчисления (разработан в 30-е гг. XX в. А. Черчем). LISP отличается от других языков тем, что выполнение программы не состоит из последовательности шагов, как в других языках. Он относится к языкам интерпретирующего типа. Маккарти исследовал идею увеличения общности. Суть ее – воспользоваться логикой для такого описания фактов, которое бы не зависело от того, как эти факты будут использоваться впоследствии. Теоретические исследования Дж. Маккарти привели к созданию «исчисления ситуаций», целью которых было нахождение способа описания результатов действий вне зависимости от проблемной области. Непрерывные события и события, происходившие одновременно, данной теорией не охватывались.

---

Другое теоретическое достижение Дж. Маккарти – метод ограничений для немонотонных рассуждений. В 1971 г. за заслуги в области искусственного интеллекта ученый был награжден премией Алана Тьюринга.

Работы в области ИИ можно классифицировать по типам решаемых задач: распознавание образов, доказательство теорем, принятие решений (в том числе в игровых ситуациях), понимание и синтез речи и текстов на естественных языках. Для решения этих задач на компьютерах необходима разработка соответствующих методов и средств представления и обработки знаний. В этом аспекте ИИ различают дедуктивные системы, математическую лингвистику и языки ИИ, нечеткие множества, экспертные системы, нейрокибернетику. Применяемые методы опираются на одну из двух парадигм.

Одна из них основана на стремлении использовать аналогии с явлениями живой природы. Во-первых, это изучение функционирования человеческого мозга и поиск путей его имитации в ИИ. Так, нейрокибернетика (или нейроинформатика) ориентирована на аппаратное моделирование структур, подобных структурам мозга. Во-вторых, изучение природы наследственности и использование эволюционных принципов в технических системах. К ИИ близко примыкает бионика, применение ее принципов в робототехнических системах.

Вторая парадигма не связана со структурой мозга и природой живых организмов, а основана на идее «черного ящика», т. е. устройства, выполняющего сложные функции, которые характерны для мыслящих существ, однако никак не связанного с устройством мозга. Это направление ИИ ориентировано на поиск алгоритмов решения интеллектуальных задач на существующих моделях компьютеров.

В 1958 г. Ф. Розенблатт разработал однослойную нейронную сеть, названную перцептроном, и построил первый нейрокомпьютер «Марк-1». Это была попытка создать систему, моделирующую человеческий глаз и его взаимодействие с мозгом. Перцептрон умел различать буквы алфавита, но был чувствителен к их написанию.

М. Минский показал, что с помощью однослойного перцептрона можно решать лишь ограниченный круг практических задач [11, с. 129]. Существенных успехов в 1970–80 гг. добиться не удалось, что вызвало снижение интереса к перцептронам и в значительной мере свертывание деятельности по реализации идей ИИ.

Важным стимулом возобновления работ в середине 1980-х гг. было создание в Японии проекта компьютера пятого поколения. Появились транспьютеры – параллельные компьютеры с большим количеством процессоров, а затем – нейрокомпьютеры, моделирующие структуру мозга человека.

---