Файл: История развития средств вычислительной техники (вычислительные средства).pdf

С активным внедрением транзисторов в 1950-х гг. связано рождение второго поколения компьютеров. Один транзистор был способен заменить 40 электронных ламп. В результате быстродействие машин возросло в 10 раз при существенном уменьшении веса и размеров. В компьютерах стали применять запоминающие устройства из магнитных сердечников, способные хранить большой объем информации.

У ЭВМ второго поколения выделяются следующие особенности:

1. Элементная база: транзисторы.

2. Соединение элементов: печатные платы и навесной монтаж.

3. Быстродействие: как только в ЭВМ транзисторы заменили на лампы, сразу же возросла производительность. Если ламповые вычислительные машины имели быстродействие несколько тысяч операций в секунду, то ЭВМ на транзисторах – десятки и сотни тысяч. Так, ЭВМ «Урал-11» работала с производительностью порядка 50 тыс. операций в секунду, «Минск-32» – 65 тыс., «Урал-16» – 100 тыс., а наиболее мощная советская ЭВМ второго поколения – «БЭСМ-6» – до 1 млн операций в секунду.

4. Объем оперативной памяти: в ЭВМ второго поколения оказалось возможным увеличить в сотни раз. В ЭВМ «Урал-14» – оперативная память на 65 тыс. чисел, в «БЭСМ-6» – на 32 тыс. чисел, в американской «Стретч» – 260 тыс., «Урал-16» – до 500 тыс. и т.д. Оперативная память построена на магнитных сердечниках^[43].

5. Габариты: ЭВМ выполнена в виде однотипных стоек, чуть выше человеческого роста. Для их размещения требуется специально оборудованный машинный зал, в котором под полом прокладываются кабели, соединяющие между собой многочисленные автономные устройства.

Но миниатюрные электронные элементы и схемы позволили существенно уменьшить габариты. Если ЭВМ первого поколения «Стрела» размещалась на площади 200 м2, то полупроводниковая ЭВМ того же класса «Минск-2» могла быть установлена на площади 35-40 м2.

6. Устройства ввода-вывода: появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитными барабанами и первыми магнитными дисками.

7. Эксплуатация: упростилась, появились вычислительные центры с большим штатом обслуживающего персонала. При выходе из строя нескольких элементов производилась замена целиком всей платы, а не каждого элемента в отдельности, как в ЭВМ предыдущего поколения^[44].

8. Программирование: в качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей. Появилась новая специальность – оператор ЭВМ. Программисты уже не работали в зале, а отдавали свои программы на перфокартах или магнитных лентах специально обученным операторам.

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

9. Потребляемая электроэнергия: значительно уменьшилась. Ламповой машине типа «Стрела» требовалось порядка 120 кВт, полупроводниковая «Минск-2» потребляла всего 4 кВт.

10. Надежность полупроводниковых приборов: они реже выходили из строя, почти никогда не «перегорали». Благодаря этому увеличилось время безотказной работы ЭВМ.

11. Режим работы: способность полупроводниковых приборов работать при комнатной температуре, и их более высокая надежность создавали чрезвычайно удобные и выгодные условия эксплуатации ЭВМ. Полупроводниковую технику можно было просто выключать и включать, как телевизор или радиоприёмник, только тогда, когда она нужна для работы. Отпадала необходимость в больших ремонтных бригадах, специальных наладчиках и частом профилактическом ремонте.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х г. наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

Третье поколение компьютеров разрабатывалось с 1964 по 1974 г. на новой элементной базе – интегральных схемах (ИС).

Впервые идея создания интегральных схем– устройств, вмещающих в себя фрагменты электронных схем, начала активно обсуждаться в 1952 г. в Англии. Начало этому положил эксперт по радарам Дж. Даммер. В 1952 г. Дж. Даммер выдвинул идею создания монолитной полупроводниковой интегральной схемы. В 1958 г. Джон Килби впервые создал опытную интегральную схему. Промышленное производство интегральных схем началось в 1962 г^[45].

Первая интегральная схема (ИС) представляла собой тонкую германиевую пластинку длиной 1 см. Это устройство не отличалось особым изяществом. Пять компонентов схемы были изолированы друг от друга благодаря своей форме в виде букв U, L и т. п. Крошечные проволочки, соединяющие компоненты схемы друг с другом и с источником питания, просто припаивались. Вся конструкция скреплялась воском. Тем не менее схема работала. Фирма сообщила о рождении нового устройства в январе 1959 г. Для того чтобы продемонстрировать возможности новой технологии, компания построила для ВВС США компьютер.

Инженеры назвали устройства шедеврами миниатюризации – интегральными микросхемами (ИМС), но чаще их называют чипами (от англ. chip – щепка). Размером с ноготь, а часто и меньше, этот тоненький кусочек матового, похожего на металл вещества, называемого кремнием, способен обрабатывать и хранить информацию, решая практически любые задачи – от управления персональными компьютерами, видеоиграми и прочими домашними приспособлениями до управления роботами на сборочных конвейерах.

Характерные черты ЭВМ третьего поколения

У ЭВМ третьего поколения выделяются следующие особенности:

1. Элементная база: интегральные схемы малой (10–100 компонентов на кристалле) и средней (100–1000 компонентов на кристалле) степени интеграции. Интегральные схемы вставляются в специальные гнезда на печатной плате.

2. Быстродействие: от сотен тысяч до миллионов операций в секунду.

3. Объем оперативной памяти – от 16 до 8192 Кб.

4. Габариты: внешнее оформление ЕС ЭВМ схоже с ЭВМ второго поколения. ЭВМ выполнена в виде однотипных стоек, чуть выше человеческого роста. Для размещения также требуется специально оборудованный машинный зал. А малые ЭВМ – это в основном две стойки приблизительно в полтора человеческих роста и дисплей. Они не нуждались, как ЕС ЭВМ, в специально оборудованном помещении^[46].

5. Программное обеспечение: шесть базовых языков – Фортран-4, Алгол-60, Кобол-65, ПЛ-1, РПГ, Ассемблер. Вместе с машинами с 1973 г. поставлялись операционная система ОС ЕС, обеспечивавшая мультипрограммный режим с фиксированным (до 15) числом задач – MFT, а вскоре и переменным числом задач (MVT).

6. Возможность параллельной работы устройств и, как следствие, возможность работы нескольких пользователей в режиме разделения времени. Во многих вычислительных центрах появились дисплейные залы, где каждый программист в определенное время мог подсоединиться к ЭВМ в режиме разделения времени. Как и прежде, основным оставался режим пакетной обработки задач.

7. Эксплуатация: более оперативно производится ремонт стандартных неисправностей, но из-за большой сложности системной организации требуется штат высококвалифицированных специалистов. Незаменимую роль играет системный программист.

8. Новые устройства внешней памяти: с увеличенной емкостью и скоростью передачи данных. Первые устройства внешней памяти на магнитных дисках появились в начале 1960-х гг., после того как в 1956 г. фирма IBM разработала плавающие магнитные головки на магнитной подушке. Емкость магнитных дисков стала на порядок больше, чем емкость магнитных барабанов, применявшихся ранее.

9. Устройства ввода: графические оптические читающие устройства.

10. Изменения в структуре ЭВМ: наряду с микропрограммным способом управления используются принципы модульности и магистральности. Принцип модульности проявляется в построении компьютера на основе набора модулей – конструктивно и функционально законченных электронных блоков в стандартном исполнении. Под магистральностью понимается способ связи между модулями компьютера, т.е. все входные и выходные устройства соединены одними и теми же проводами (шинами). Это прообраз современной системной шины.

11. Резкое снижение цен на аппаратное обеспечение: этого удалось добиться главным образом за счет использования интегральных схем^[47].

Развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном кристалле тысячи интегральных схем. В 1971 г. компания Intel выпустила важное для развития вычислительной техники устройство – микропроцессор Intel-4004.

В 1979 г. был выпущен универсальный 16-битный микропроцессор Motorolla-68000 с 70 тыс. элементов, а в 1981 г. – первый 32-битный микропроцессор Hewlett Packard с 450 тысячами элементами. Для сравнения: СБИС микропроцессора Pentium IV включает в себя 7,5 млн транзисторов.

Микропроцессор – это интегральная микросхема, на которой размещено обрабатывающее устройство с собственной системой команд. Использование микропроцессоров значительно упростило конструкцию вычислительных машин.

С появлением микропроцессора связано одно из важнейших событий в истории вычислительной техники – создание и применение персональных ЭВМ, что даже повлияло на терминологию.

Постепенно термин «ЭВМ» был вытеснен словом «компьютер», а вычислительная техника стала называться компьютерной. Компьютеры по своим характеристикам становятся такими разнообразными, что их начинают классифицировать по размерам и функциональным возможностям, по назначению, по совместимости и другим критериям. Любая классификация является в некоторой мере условной, поскольку развитие компьютерной науки и техники настолько бурное, что, например, сегодняшняя микроЭВМ не уступает по мощности мини-ЭВМ пятилетней давности и даже суперкомпьютерам недавнего прошлого^[48].

Ниже приведена классификация компьютеров четвертого поколения, которую используют ведущие производители компьютеров:

• суперкомпьютеры;
• большие ЭВМ (мэйнфреймы);
• серверы;
• мини-ЭВМ;
• микроЭВМ, персональные компьютеры.

Характерные черты ЭВМ четвертого поколения

У ЭВМ четвертого поколения выделяются следующие характерные особенности:

1. Элементная база: большие и сверхбольшие интегральные схемы (от десятков до сотен тысяч компонентов на кристалле).

2. Быстродействие: от десятков до сотен миллионов операций в секунду.

3. Габариты: либо персональный компьютер – на одном рабочем столе либо мэйнфреймы и суперкомпьютеры с огромными машинными залами.

4. Программное обеспечение: появились объективно ориентированные языки программирования.

5. Эксплуатация – совместимость ПО снизу доверху – принцип открытой архитектуры, предусматривающий возможность дополнения имеющихся аппаратных средств без смены старых, или их модификация без замены всего компьютера.

Прогресс в развитии вычислительной техники с первого по четвертое поколение был связан с развитием элементной базы^[49].

Переход к компьютерам пятого поколения предполагает переход к новым технологиям и архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта. Определить требования к компьютерам пятого поколения чрезвычайно трудно, потому что они все еще находятся в стадии разработки.

Идет дальнейшее совершенствование технологии производства микросхем и вычислительной техники, но так ожидаемый переход к принципиально новым технологиям компьютеров пятого поколения не произошел. Однако технология производства микропроцессоров уже приближается к фундаментальным ограничениям.

Закон Гордона Мура гласит, что плотность транзисторов в микросхеме удваивается каждые полтора года. Последние десятилетия этот закон выполнялся.

Продолжается дальнейшее развитие архитектур компьютеров. Интенсивные разработки ведутся по многим направлениям.

Особенностью этих архитектур является то, что все они основаны не на кремниевых технологиях.

К технологиям, способным экспоненциально увеличивать производительность компьютеров, следует отнести:

• создание молекулярных компьютеров;
• создание биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);
• разработку квантовых компьютеров;
• разработку оптических компьютеров.

Развитие вычислительной техники не стоит месте. Все меняется огромные шагами и с огромной скоростью. Компьютеры, основанные на квантовых технологиях, искусственный интеллект – все это наше будущее и даже настоящее на начальном этапе.

Меньше за столетие ЭВМ изменились до неузнаваемости, от многотонных машин к полуторакилограммовым компьютерам, и компьютерам, которые можно положить в карман.