Файл: История развития средств вычислительной техники (Домеханический период).pdf

В качестве программного обеспечения использовались высокоуровневые языки программирования, были написаны специальные переводчики с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: следующая команда начинала выполняться раньше, чем заканчивалась предыдущая. Был разработан широкий спектр библиотечных программ для решения различных математических задач. Появились мониторные системы, контролирующие режим трансляции и исполнения программ. Из систем мониторинга в дальнейшем выросли современные операционные системы. Машины второго поколения характеризовались программной несовместимостью, что затрудняло организацию больших информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов был намечен переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе [14].

К третьему поколению относят машины, выпущенные с 1964 г. по 1972 г. В 1960 году появились первые интегральные схемы (ИС), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. Интегральные схемы - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм2. Одна интегральная схема способна заменить десятки тысяч транзисторов. 1 кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный «Эниак». А компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду.

В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.

Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой, то есть программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.

У машины третьего поколения появились развитые операционные системы. Они обладали возможностями мультипрограммирования, то есть одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина [2].

Примеры машин третьего поколения - семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и многие другие. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов [15].

2.3 Современные поколения ЭВМ

Четвёртое поколение - это современное поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года.

Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 интегральным схемам. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. В 1980 году центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма. БИСы применялись уже в таких компьютерах, как «Иллиак», «Эльбрус». Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. Емкость ОЗУ возросла до 500 млн. двоичных разрядов. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов [14].

C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Ёмкость оперативной памяти порядка 1-64 Мбайт.

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) - ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 году фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров, создав первые персональные компьютеры - IBM PC.

Появление персонального компьютера прямо связано с рождением микрокомпьютера.

Персональный компьютер-это настольный или портативный компьютер, который использует микропроцессор в качестве единственного центрального процессора, выполняющего все логические и арифметические операции. Эти компьютеры классифицируются как вычислительные машины четвертого и пятого поколений. В дополнение к ноутбукам, портативные микрокомпьютеры включают карманные компьютеры палмтопы. Основными особенностями персонального компьютера являются шинная организация системы, высокая стандартизация аппаратного и программного обеспечения, ориентация на широкий круг потребителей [6].

С развитием полупроводниковых технологий персональный компьютер, получив компактные электронные компоненты, увеличил свою способность к вычислению и запоминанию. Совершенствование программного обеспечения облегчило работу с компьютерами людям с очень плохим пониманием компьютерных технологий.

Основными компонентами персонального компьютера являются : карта памяти и дополнительная оперативная память (ОЗУ); основная панель с микропроцессором (центральный процессор) и ОЗУ; интерфейс печатной платы; интерфейс платы дисковода; устройство дисковода (со шнуром), позволяющее считывать и записывать данные на магнитные диски; съемные магнитные или гибкие диски для хранения информации вне компьютера; панель для ввода текста и данных [11] .

С конца 80-х годов XX века в истории развития вычислительной техники наступило время пятого поколения машин. Проект машин пятого поколения разрабатывался ведущими японскими компаниями и научными организациями. Согласно этому проекту, компьютеры и компьютерные системы радикально отличаются от машин предыдущих поколений. Прежде всего, их структура отличается от предложенной Джоном фон Нейманом и содержит: коммуникационный блок, обеспечивающий интерфейс между пользователем и компьютером на языке, близком к естественному; база знаний, в которой хранится вся необходимая для решения задач информация о предметной области, к которой относятся эти задачи; решатель, который организует подготовку программы для решения задачи на основе знаний из базы знаний и исходных данных, полученных из коммуникационного блока [14].

Компьютеры пятого поколения должны самоорганизовываться в процессе решения задач, иметь собственную внутреннюю модель мира и активно взаимодействовать с внешней средой, распознавать образы, делать выводы из информации, уметь оперировать в нечетких ситуациях, дополнять имеющиеся знания (то есть обладать способностью к обучению), вести диалог с человеком на естественном речевом или графическом языках, обладать способностью понимать содержание базы знаний и использовать эти знания при решении задач [2].

Таким образом, модели и инструменты, разработанные в области искусственного интеллекта, широко используются в этих машинах. В частности, они широко используют языки, специфичные для представления знаний, модели знаний в виде семантических сетей, фреймов и продуктов.

Разработка машин пятого поколения базируется на СБИС, а также на переходе к супермикроэлектронике, где расстояния между элементами схемы будут меньше микрона, и на использовании достижений интегральной микрооптоэлектроники, в которой каналами связи являются световые лучи, а для преобразования электрических сигналов в световые и наоборот используются лазеры, световые и фотодиоды. Благодаря достижениям современной техники, только в компьютерах пятого поколения стало возможным технически реализовать идеи, высказанные в 70-е годы.

Отличительными особенности вычислительной техники пятого поколения являются:

- новая технология производства на основе новых материалов;

- отказ от традиционных языков высокого уровня (Fortran, Pascal и др.) в пользу языков с повышенными возможностями манипулирования символами и логическими элементами программирования (prologue, LISP);

- сосредоточенность на новых архитектурах ( например, архитектура потока данных) и отказ от структур фон Неймана;

-новые удобные для пользователя методы ввода и вывода (например, распознавание речи и изображений, синтез речи и обработка сообщений на естественном языке);

- искусственный интеллект, тесно связанный с исследованиями в области экспертных систем [2].

Таким образом, электронный этап развития вычислительной техники начался во второй половине прошлого века и продолжается по сей день. Это история пяти поколений электронных вычислительных машин-от самых первых гигантских блоков, в основе которых лежали электронные лампы, до супермощных современных суперкомпьютеров с огромным количеством параллельных процессоров, способных одновременно выполнять множество команд.

Подводя итог, можно сделать вывод, что этапы развития вычислительной техники делятся хронологически достаточно условно. В то время, когда использовались некоторые типы компьютеров, активно создавались предпосылки для появления следующих.

3. Перспектива развития вычислительной техники

3.1. Производство квантовых компьютеров

На сегодняшний день стремительный прогресс в развитии компьютерных технологий за последние десятилетия заставляет задуматься о будущем компьютеров.

Теория квантовых компьютеров является одной из современных отраслей квантовой механики и теории квантовых вычислений. Квантовая механика - это теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических экспериментах [3]. К сожалению, существующие квантовые системы пока не способны обеспечить надежные вычисления, поскольку они либо недостаточно управляемы, либо очень чувствительны к шуму. Однако никаких физических ограничений на создание эффективного квантового компьютера не будет. остается только преодолеть технологические трудности. Эти ограничения включают в себя ограничения в быстродействии и предел памяти [18].

В ноябре 2009 года физикам из Национального института стандартов и технологий в США впервые удалось собрать программируемый квантовый компьютер, состоящий из двух кубит. Канадская компания D -Wave заявила в феврале 2007 года о создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion). Однако информация об этом устройстве не отвечала строгим требованиям точного научного сообщения; новость не получила научного признания. Более того, дальнейшие планы компании (создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер) вызвали скепсис у членов экспертного сообщества. В ноябре 2007 года та же компания D-Wave продемонстрировала работу образца 28-кубитного компьютера онлайн на конференции, посвященной суперкомпьютерам. Данная демонстрация также вызвала определенного рода недоверие. В декабре 2008 года компания организовала проект распределенных вычислений (Adiabatic QUantum Algorithms), в котором тестируются алгоритмы, оптимизирующие вычисления на адиабатических сверхпроводящих квантовых компьютерах D-Wave [3].

3.2 Научные разработки молекулярных компьютеров

Основные компоненты молекулярного компьютера должны быть теми же, что и у обычного компьютера: система ввода информации, вычислительный блок (процессор), система хранения информации (память) и, наконец, система вывода информации. В качестве триггеров удобнее всего использовать молекулы, имеющие изомерные формы, которые обладают одинаковой молекулярной массой и составом, но различаются строением или расположением атомов в пространстве. Некоторые из них можно переводить из одной формы в другую путем внешнего воздействия. Например, молекула соединения типа спиробензипирана может быть переключена из состояния «0» в состояние «1» с помощью ультрафиолетового излучения, а в обратном направлении с помощью света видимого диапазона. На основе такого триггера можно строить как устройства оперативной памяти, так и элементы, выполняющие логические функции [13].

В последнее время в нескольких научных центрах разработаны и запатентованы переключающие элементы на зеркально симметричных -хиральных изомерах, которые также могут применяться для хранения и обработки информации: функции логических «0» и «1» выполняют «правая» и «левая» формы молекулы. Переключение такого триггера, называемого хироптическим, из одного состояния в другое производится при одновременном действии света и электрического поля: свет сообщает молекуле энергию, а электрическое поле задает направление переключения. Компания Hewlett-Packard объявила о своих успехах в изготовлении логических вентилей на основе молекул ротаксанов. Такой вентиль состоит из молекул двух типов: циклической (так называемой «бусины») и линейной («нити»). В работающем устройстве «бусина» оказывается нанизанной на «нить», располагаясь на ней в одном из двух возможных устойчивых положений. Переход из одного положения в другое, то есть переключение вентиля, происходит за счет изменения кислотно-щелочного баланса среды. Такой переход является обратимым, и им можно управлять с помощью электрических сигналов. В процессе переключения значительно сдвигается полоса поглощения света молекулами ротаксанов, что дает возможность считывать информацию оптическим способом. Молекулы ротаксанов могут быть объединены в полимерные цепи различной длины и сложности, которые будут выполнять логические функции за счет передачи сигнала переключения вдоль цепей [13].