Файл: История развития средств вычислительной техники.pdf

Начало 70-х годов знаменует переход к компьютерам четвертого поколения – на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Другим признаком ЭВМ нового поколения являются резкие изменения в архитектуре.

Техника четвертого поколения породила качественно новый элемент ЭВМ – микропроцессор. В 1971 году пришли к идее ограничить возможности процессора, заложив в него небольшой набор операций, микропрограммы которых должны быть заранее введены в постоянную память. Оценки показали, что применение постоянного запоминающего устройства в 16 килобит позволит исключить 100 200 обычных интегральных схем. Так возникла идея микропроцессора, который можно реализовать даже на одном кристалле, а программу в его память записать навсегда. В то время в рядовом микропроцессоре уровень интеграции соответствовал плотности, равной примерно 500 транзисторам на один квадратный миллиметр, при этом достигалась очень хорошая надежность.

Из больших компьютеров четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись американские машины «Крей-1» и «Крей-2», а также советские модели «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». Первые их образцы появились примерно в одно и то же время – в 1976 году. Все они относятся к категории суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего времени характеристики и очень высокую стоимость.

3.6 История развития персональных ЭВМ

Хотя и персональные компьютеры относятся к ЭВМ 4-го поколения, все же возможность их широкого распространения, несмотря на достижения технологии СБИС, оставалась бы весьма небольшой.

В 1970 году был сделан важный шаг на пути к персональному компьютеру – Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intеl скон­струировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центрально­му процессору большого компьютера.

В конце 70-х годов распространение персональных компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на большие ком­пьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IВМ – ведущей компании по производству больших компьютеров, и в 1979 году фирма IВМ решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.

Прежде всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был вы­бран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intе1 8088. Его использо­вание позволило значительно увеличить потенциальные возможности компью­тера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами. В компью­тере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его про­граммное обеспечение было поручено разработать небольшой тогда еще фирме Microsoft. И таким образом в 1981 году появилась первая версия операционной системы для компьютера IBM РС – MS DOS 1.0. В дальнейшем по мере совершенствования компьютеров IВМ РС выпускались и новые версии DOS, учитывающие новые возможности компьютеров и предоставляющие дополнительные удобства пользователю.

Через один-два года компьютер IВМ РС занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.

Если бы IВМ РС был сде­лан так же, как другие существовавшие во время его появления компьютеры, он бы устарел через два-три года, и мы давно бы уже о нем забыли.

Итак, после начала широкого внедрения персональных компьютеров в повседневную жизнь, продолжилось быстрое развитие вычислительной техники. Остановимся на наиболее важном элементе: микропроцессор – это эффективный с технологической и экономической точки зрения инструмент для переработки возрастающих потоков информации.

Новое поколение микропроцессоров идет на смену предыдущему каждые два года и морально устаревает за 3-4 года. Микропроцессор вместе с другими устройствами микроэлектроники позволяют создать довольно экономичные информационные системы.

Модель IBM PC была усовершенствована. Новая модификация получила название «расширенного» IВМ РС/ХТ (Рersonal Соmрuter/еХТеnded version). В данной модификации производители отказались от использовании магнитофона в качестве накопителя информации, добавили второй дисковод гибких дисков, а также возможность использования жесткого диска емкостью 10-30 МБ. В настоящее время наличие жесткого диска в ПК ХТ является практически обязательным. Модель базировалась на использовании того же микропроцессора – Intel 8088.

В 1982 году была выпущена новая модель компьютеров по названием IВМ РС/АТ (Рersonal Computer/Аdvanced Technology – «ПК усовершенствованной технологии»). В связи с использованием нового микропроцессора с сопроцессором 80287 производительность системы возросла более чем вдвое. Она укомплектована дисководами гибких дисков нового типа (с утроенным объемом хранимой информации), жестким диском от 40 МБ и выше. Шина материнской платы ПК расширена до 16 бит.

В 1989 году Intel выпустила новый микропроцессор 80486SX/DX/DX2, имевшие 1,2 млн транзисторов на кристалле, изготовленному по технологии 1 мкм. От 386-го существенно отличается размещением на кристалле первичного кэша и встроенного математического сопроцессора 80487. Микропроцессоры 80486 по-прежнему могли адресовать до 4 Гб оперативной памяти и работали на частотах: 25, 33, 50 и 66 МГц.

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появившиеся в 1994 году, представили уже второе поколение процессоров Pentium (семейство P6). При почти том же числе транзисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потребляемую мощность. От первого поколения они отличались внутреннем умножением частоты и имели другой тип корпуса. Была введена новая шина, которой до этого оснащались большие ЭВМ и в одном ПК могли присутствовать до 4-х процессоров Р6. Параллельно с Pentium развился и процессор Pentium Pro, который отличался новшествами «динамического исполнения инструкций». Кроме того, в его корпусе разместили и вторичный кэш, для начала объемом 256 Кб. Однако на 16-битных приложениях, а также в среде Windows 95 его применение не дало преимуществ. Процессор содержал 5,5 млн. транзисторов ядра, и 15,5 млн. транзисторов для вторичного кэша объемом 256 Кб. Первый процессор с частотой 150 МГц появился в начале 1995 года (технология 0,6 мкм), а уже в конце года появились процессоры с частотой 166, 180, 200 МГц (технология 0,35 мкм), у которых кэш достигал 512 Кб.

После долгих обещаний в начале 1997 года появились процессоры Pentium MMX. Расширение ММХ предполагает параллельную обработку группы операндов одной инструкцией. Технология ММХ призвана ускорять выполнение мультимедийных приложений, в частности операции с изображениями и обработку сигналов. Кроме расширения ММХ эти процессоры, по сравнению с обычным Pentium, имеют удвоенный объем первичного кэша, и некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium Pro, что повышает производительность процессора Pentium ММХ и на обычных приложениях. Процессоры Pentium ММХ имеют 4,5 млн транзисторов и выполнены по технологии – 0,35 мкм. По состоянию на июнь 1997 года имеются процессоры с тактовыми частотами 166, 200 и 233 МГц.

Процессоры, совместимые с семейством х86, выпускаются не только фирмой Intel. Традиционный конкурент – AMD – выпускает совместимые процессоры обычного несколько позже, но заметно дешевле, иногда по ряду технических свойств они даже опережают аналогичные процессоры Intel. Фирма Cyrix славится своими быстрыми сопроцессорами.

7 июня 1998 компания Intel представила процессор Celeron с тактовой частотой 300 МГц и снизила цену на ранее выпускавшуюся модель 266 МГц. Компания, однако, предпочитает не афишировать, что эти частоты – далеко не предел возможностей Celeron, и безо всяких переделок процессор способен на нечто большее.

Ядро Celeron изготовляется по последней 0,25 микронной технологии и имеет кодовое название Deschutes. Оно такое же, как у процессоров Pentium II, предназначенных для работы на частотах 333, 350 и 400 МГц (в младших моделях Pentium II используется ядро Klamath с 0,35 микронной технологией).

25 июля 1998 корпорация Microsoft выпускает Windows 98 – последнюю версию Windows на базе старого ядра, функционирующего на фундаменте DOS. Система Windows 98 интегрирована с интернет-браузером Internet Explorer 4 и совместима с многочисленными – от USB до спецификаций управления энергопотреблением ACPI. Последующие версии Windows для рядового пользователя будут построены на базе ядра NT.

3.7 Суперкомпьютеры

Суперкомпьютер — это вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам и скорости вычислений большинство существующих в мире компьютеров. Обычно, современные суперкомпьютеры представляют собой объединение высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках реализации распараллеливания вычислительной задачи.

В общеупотребительный лексикон термин «суперкомпьютер» вошёл благодаря распространённости компьютерных систем Сеймура Крэя, таких как, CDC 6600, CDC 7600, Cray-1, Cray-2, Cray-3 (англ.) и Cray-4 (англ.). Сеймур Крэй разрабатывал вычислительные машины, которые по сути становились основными вычислительными средствами правительственных, промышленных и академических научно-технических проектов США с середины 60-х годов до 1996 года. Не случайно в то время одним из популярных определений суперкомпьютера было следующее: — «любой компьютер, который создал Сеймур Крэй». Сам Крэй никогда не называл свои детища суперкомпьютерами, предпочитая использовать вместо этого обычное название «компьютер». Из-за большой гибкости самого термина до сих пор распространены довольно нечёткие представления о понятии «суперкомпьютер». Большинство суперкомпьютеров 70-х оснащались векторными процессорами, а к началу и середине 80-х небольшое число (от 4 до 16) параллельно работающих векторных процессоров практически стало стандартным суперкомпьютерным решением. Конец 80-х и начало 90-х годов охарактеризовались сменой магистрального направления развития суперкомпьютеров от векторно-конвейерной обработки к большому и сверхбольшому числу параллельно соединённых скалярных процессоров.

Массово-параллельные системы стали объединять в себе сотни и даже тысячи отдельных процессорных элементов, причём ими могли служить не только специально разработанные, но и общеизвестные и доступные в свободной продаже процессоры. Большинство массово-параллельных компьютеров создавалось на основе мощных процессоров с архитектурой RISC, наподобие PowerPC или PA-RISC.

В конце 90-х годов высокая стоимость специализированных суперкомпьютерных решений и нарастающая потребность разных слоёв общества в доступных вычислительных ресурсах привели к широкому распространению компьютерных кластеров. Эти системы характеризует использование отдельных узлов на основе дешёвых и широко доступных компьютерных комплектующих для серверов и персональных компьютеров и объединённых при помощи мощных коммуникационных систем и специализированных программно-аппаратных решений. Несмотря на кажущуюся простоту, кластеры довольно быстро заняли достаточно большой сегмент суперкомпьютерного рынка, обеспечивая высочайшую производительность при минимальной стоимости решений.

Суперкомпьютеры используются во всех сферах, где для решения задачи применяется численное моделирование; там, где требуется огромный объём сложных вычислений, обработка большого количества данных в реальном времени, или решение задачи может быть найдено простым перебором множества значений множества исходных параметров.

Производительность суперкомпьютеров чаще всего оценивается и выражается в количестве операций над числами с плавающей точкой в секунду (FLOPS). Это связано с тем, что задачи численного моделирования, под которые и создаются суперкомпьютеры, чаще всего требуют вычислений, связанных с вещественными числами, зачастую с высокой степенью точности, а не целыми числами. Поэтому для суперкомпьютеров неприменима мера быстродействия обычных компьютерных систем — количество миллионов операций в секунду (MIPS). При всей своей неоднозначности и приблизительности, оценка во флопсах позволяет легко сравнивать суперкомпьютерные системы друг с другом, опираясь на объективный критерий.

Первые суперкомпьютеры имели производительность порядка 1 кфлопс, то есть 1000 операций с плавающей точкой в секунду. В США компьютер, имевший производительность в 1 миллион флопсов (1 Мфлопс) (CDC 6600), был создан в 1964 году. Известно, что в 1963 году в московском НИИ-37 (позже НИИ ДАР) был разработан компьютер на основе модулярной арифметики с производительностью 2,4 млн оп/с. Это экспериментальный компьютер второго поколения (на дискретных транзисторах) Т340-А[8] (гл. конструктор Д. И. Юдицкий). Однако следует отметить, что прямое сравнение производительности модулярных и традиционных ЭВМ некорректно. Модулярная арифметика оперирует только с целыми числами. Представление вещественных чисел в модулярных ЭВМ возможно только в формате с фиксированной запятой, недостатком которого является существенное ограничение диапазона представления чисел.

• Планка в 1 миллиард флопс (1 Гигафлопс) была преодолена суперкомпьютерами NEC SX-2 в 1983 году с результатом 1.3 Гфлопс.
• Граница в 1 триллион флопс (1 Тфлопс) была достигнута в 1996 году суперкомпьютером ASCI Red.
• Рубеж 1 квадриллион флопс (1 Петафлопс) был взят в 2008 году суперкомпьютером IBM Roadrunner.

3.8 Пятое поколение компьютеров (создание искусственного интеллекта).

Пятое поколение основывалось на создании искусственного интеллекта, который смог бы при помощи логических языков программирования подойти вплотную к решению задач по обработке и хранению знаний. Основная задача состояла в том, что для компьютеров пятого поколения не требовалось бы каких-то программных кодов для решения целевых процессов, а достаточно простое объяснение на "почти естественном" языке. Многие считают, что в то время это было провальное пятое поколение, которое даже при большой финансовой поддержке оказалось недостигаемой. Одна из задач проекта состояла в разработке машины, которая имела бы искусственный интеллект, а общение с пользователем было бы максимально простым. Самым сложным являлось создание простого интерфейса, при помощи которого пользователь мог бы вести диалог с такой машиной и решать необходимые ему задачи. Многие интерфейсы операционных систем (или программ) решают лишь половину проблемы, то есть пользователь может вести диалог строго по спроектированному программному обеспечению такой машины. При этом, на сегодняшний день ученые и многие разработчики ведут исследования в данном направлении, и пытаются создать полностью уникальный искусственный интеллект, который будет помощником человека. Однако существует немало устройств, которые имеют довольно серьезную технологию обработки информации. Примером тому является компания CubicRobotics из России, которая имеет уникальную систему VOIS (Voice Intellectual Operation System). Это единственная компания, которая создала (частично) искусственный интеллект и имеет рабочий прототип.