Файл: Развитие средств вычислительной техники.pdf

2.3 От электронных ламп к транзисторам и интегральным схемам. Закон Мура

Именно с изобретения в 1948 году полупроводниковых устройств - транзисторов - началась революция в компьютерной индустрии. Транзистор был изобретен в Bell Laboratories инженерами Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. Транзистор является электронным ключом, который заменил громоздкую и неудобную электронную лампу. Поскольку потребляемая транзисторами мощность незначительна, построенные на их основе компьютеры имели гораздо меньшие размеры и отличались более высоким быстродействием и эффективностью.^[7]

Появление транзистора послужило началом миниатюризации компьютеров, эта тенденция сохраняется и в настоящее время.

В 1959 году сотрудники фирмы Texas Instruments изобрели интегральную схему - полупроводниковое устройство, в котором без проводов соединяется несколько расположенных на одном кристалле транзисторов. В первой интегральной схеме их было всего шесть. Для сравнения заметим, что современные процессоры, используемые в новейших компьютерных системах, состоит более чем из 6 млн. транзисторов, а интегрированная кэш-память, встроенная в одну из микросхем, содержит еще 32 млн .. транзисторов. Сегодня во многих интегральных схемах используется несколько миллионов транзисторов.

Первый 4-разрядный микропроцессор 4004 фирмы Intel появился в 1971 году. Он содержал 2300 транзисторов и за один раз обрабатывал 4 бита данных. Процессор 4004 выполнял 60 тыс. Операций в секунду, что достаточно мало по современным стандартам. Но в то время появление этого процессора означала существенный прорыв в микроэлектронике.

В 1965 году Гордон Мур готовил доклад о перспективах развития компьютерной памяти. При подготовке этого доклада он нашел интересную особенность: емкость каждой новой микросхемы памяти удваивается по сравнению с ее предшественницей, а сама новая микросхема появляется каждые 18-24 месяца. Построив линию тренда, Мур отметил, что производительность компьютеров будет увеличиваться экспоненциально по времени (рис. 1.1).

Рис. Графическая иллюстрация закона Мура

Эту зависимость стали называть законом Мура. Кстати, этот закон описывает не только рост емкости оперативной памяти, он часто используется для определения степени роста быстродействия процессоров и емкости жестких дисков. За 30 лет количество транзисторов процессора увеличилась в 4000 раз.

2.4 Развитие персонального компьютера

Начало развития персонального компьютеров присваивают Роберту Нойсу и Гордону Муру, которые основали фирму Intel.

Фирма разрабатывала биполярную статическую память, и было одно обстоятельство, которое повлияло на дальнейшее развитие компьютеров. Это был заказ японской фирмы Busicom для разработки двенадцати различных микросхем для калькуляторов. Поскольку у компании не было возможности разработать такое большое количество продуктов, была высокая вероятность отказа транзакции. Но был один инженер фирмы, Тед Хофф, предложил интересное решение в этой ситуации, разработать не двенадцать различных микросхем, а одно универсальное устройство, которое заменило бы их все. Решение было принято, и Федерико Фагин провел всю эту работу. В компании-клиенте Busicom Intel возвращает все права на изобретение, и первый микропроцессор 4004 с тактовой частотой 108 кГц поступит в продажу в 1971 году. Но компьютеры еще не пришли к этому моменту.

Для первого персонального компьютера появился еще один процессор Intel-8080, разработанный в 1974 году, уже имеющий тактовую частоту 2 МГц. [12].

Первым, кто объединил различные компоненты в единый блок, была компания MITS, ему было присвоено название Altair 8800. Altair 8800 – первый компьютер. Это был набор деталей и корпус для самостоятельной сборки и отладки ПК. И если сборка была успешной, то пользователи стали программистами, которые сами создавали сами программы, с помощью машинного кода, нулей и единиц и загружали его с помощью тумблеров на передней панели. Ни клавиатуры, ни дисплея у этого компьютера не было, но это был уже персональный компьютер, хотя и примитивный. Примерно в то же время другая фирма IMSAI выпускает ту же коробку с тумблерами, с тем же набором аксессуаров и параметрами.

К концу семидесятых подобные компьютеры уже предлагали десятки таких компаний.

К началу 1980-х годов ситуация на компьютерном рынке крупных фирм была не очень благоприятной. Персональный компьютер в то время не вызывал большой уверенности у таких крупных компаний, как IBM, но не желая оставаться в стороне, руководство компании принимает решение разработать свою первую модель персонального компьютера. На основе этого было выделено подразделение, которое взяло на себя обязательство разработать ПК, оно решает выбрать открытую архитектуру компьютера. Это позволяет создавать компьютер из отдельных блоков и не тратить много денег на его изготовление, поскольку любая другая компания может разрабатывать различные периферийные устройства и компоненты. В этом случае пользователь может выбрать то, что ему может понадобиться, и при необходимости купить.

Итак, мир пришел к открытой архитектуре. Компьютерная компания IBM назвала свой первый компьютер IBM PC 5150, согласно некоторым показателям, он, конечно же, уступал своим конкурентам в то время. Мощность процессора Intel 8088 была достаточной для работы с операционной системой MS-DOS. [11].

Только благодаря открытой архитектуре этот проект начал развиваться. Как и сама IBM, другие фирмы разрабатывают отдельные компоненты ПК, используют новые технологии и ищут решения возникающих проблем. В 1983 году IBM выпустила обновленный ПК-5160, уже имеющий возможность установки жесткого диска, на тот же процессор 8088, с таким же объемом оперативной памяти. И год спустя на новом процессоре Intel-80286 появился ПК AT. Этот компьютер уже является последним выпуском IBM, он не может конкурировать с другими подобными изделиями. Следующий IBM-совместимый компьютер, основанный на процессоре Intel-80386, выпускается другой компанией.

При переходе от первого к третьему поколению возможности программирования радикально изменились. Появление высокоуровневых процедурных языков и переводчиков из них стало первым шагом на пути к радикальному расширению круга программистов. Ученые и инженеры начали писать программы для решения своих проблем.

Уже в третьем поколении существует большая унифицированная серия компьютеров. Для больших и средних машин в США это, прежде всего, семейство IBM 360/370. В СССР, 1970-е и 1980-е годы, компьютеры СМ (малой системы) и «Электроника» (микрокомпьютерная серия), компьютеры ЕС (единая система) (машины большого и среднего размера). Они были основаны на американских прототипах IBM и DEC (Digital Equipment Corporation). С того времени было создано множество компьютерных моделей ЭВМ, различающиеся назначением и производительностью.

3 Развитие средств вычислительной техники в 21 столетии

Производители жестких дисков, независимых производителей записывающих головок и планшетов, уже более десяти лет занимаются исследованиями и разработками технологий для HAMR-накопителей.

Архитектура микропроцессоров с 2015 года больше не характеризуется производительностью. Они отличаются богатством и разнообразием свойств, инструментами управления питанием, повышенной надежностью, безопасностью и управляемостью, а также возможностью взаимодействия со всеми другими компонентами платформы. Планы Intel включают в себя разработку ряда технологий, наиболее важным из которых является многопроцессорность на уровне кристалла (CMP). Корпорация Intel продолжает разрабатывать одно из важнейших направлений в архитектуре микропроцессоров - повышение уровня параллелизма, что ведет к повышению производительности.

Эти усовершенствования стали возможными благодаря следующему важному шагу - переходу от одного монолитного ядра к множеству ядер на монокристалле. Intel давно начала серийное производство платформ на базе многоядерных процессоров. В процессе развития количество ядер будет постоянно расти.^[8]

В ближайшие годы появятся процессоры Intel, которые будут содержать много - до сотен ядер.

Архитектуры с поддержкой многопроцессорности на уровне кристалла стали основой будущих микропроцессоров, поскольку они позволяют достичь непревзойденной производительности, и в то же время способны обеспечивать эффективное управление мощностью и охлаждением. В отличие от ориентации на большие энергоемкие вычислительные ядра с высокой теплоотдачей кристаллы Intel CMP будут активировать те ядра, которые необходимы для выполнения текущей задачи, а оставшиеся ядра будут отключены. Такой малогабаритный контроль вычислительных ресурсов позволяет кристаллу потреблять столько электроэнергии, сколько потребуется в данный момент времени.

ОЗУ является одним из основных компонентов любого стационарного и мобильного компьютера, поскольку его производительность напрямую зависит от производительности системы. Наиболее важными характеристиками ОЗУ являются рабочая частота чипов, задержки доступа к данным и энергопотребление. До сих пор требования пользователей удовлетворяли микросхемы памяти DDR3, которые в то же время заменяются обычными модулями DDR2. В свое время память DDR3 была воспринята не более чем сомнительной экзотикой, но со временем память стала выпускаться в этом стандарте.

Однако время не стоит на месте, и в настоящее время популярным типом оперативной памяти является DDR4. Из предыдущих поколений она имеет более высокие частотные характеристики, повышенную скорость передачи данных и пониженное напряжение. Память DDR4 имеет увеличенную рабочую частоту и отличную скорость доступа к данным. Память нового поколения позволила значительно увеличить количество серверных, настольных и мобильных систем. Для обеспечения задержки новые модули памяти имеют 16 банков на каждой пластине.

Кроме того, DDR4 представил более эффективные методы проверки четности и ошибок ECC. На это, в частности, положительно влияет стабильность серверной платформы. В дополнение к высокой производительности память DDR4 может похвастаться высокой пропускной способностью благодаря использованию технологии межслоевых соединений TSV и 3D-архитектуры 3D-штабелирующих чипов.

В модулях памяти DDR4 было снижено потреблением энергии. Модули памяти DDR4 используют напряжение питания до 1,1-1,2. В результате энергосбережение может составлять до 20 - 40 процентов по сравнению с модулями памяти предыдущего поколения. В то же время производительность новых чипов увеличивается в несколько раз. Снижение энергопотребления способствует меньшему нагреву модулей.^[9]

Вскоре на рынке появится более продвинутое решение. Комитет по стандартизации полупроводниковых продуктов JEDEC объявил, что разработка нового стандарта для памяти DDR5 уже началась и движется быстро.

Усложняя центральные процессоры, на будущих компьютерах проблема охлаждения чипов станет все более сложной, так как плотность электронного наполнения будет увеличиваться. Ранее AMD уже столкнулась с этой проблемой, но в будущем эта проблема станет актуальной для Intel, уверены независимые эксперты.

Заключение

Последние годы характеризуются растущим интересом к истории развития информатики, в первую очередь к истории развития вычислительной техники и ее создателей. В большинстве развитых стран были созданы музеи вычислительной техники.

История создания цифрового вычислительного оборудования началась много веков назад. Это увлекательно и поучительно, связано с именами известных ученых мира.

Темпы развития компьютеров имеют самые смелые прогнозы. Например, президент и основатель одной из ведущих компьютерных фирм, Digital Equipment Corporation, Кен Олсон (Ken Olson) в 1977 году в интервью сказал, что нет причин, по которым кто-то хотел бы иметь компьютер, а самый массовый персональный компьютер появился на рынке: сначала персональный компьютер (ПК) Apple (1976), а в 1981 году и IBM PC.

В 1983 году наиболее известный человек в компьютерном мире, основатель и постоянный исполнительный директор Microsoft Билл Гейтс (Bill Gates) заявил, что никакой компьютерной программе не понадобится больше 640 Кбайт оперативной памяти, а теперь его компания производит программные продукты, требующие порядка сотен и тысяч МБ.

И по-прежнему трудно следовать «закону Мура» каждый год, поэтому его близкий конец был предсказан неоднократно. Тем не менее, человеческий гений и изобретательность находят все новые оригинальные пути выхода из технологических и производственных трудностей, которые стоят на пути безудержной компьютерной гонки. Однако прогресс компьютерных технологий не может продолжаться вечно, рано или поздно мы наткнемся на предел, обусловленный как законами природы, так и экономическими законами.