Основные этапы развития вычислительной техники

В последнее время высказывались и мысли о том, что давно пора расстаться с электронами как основными действующими лицами на сценах микроэлектроники и обратиться к фотонам. Использование фотонов якобы позволит изготовить процессор компьютера размером с атом. О том, что наступление эпохи таких компьютеров уже не за горами говорит тот факт, что американским ученым удалось на доли секунды остановить фотонный пучок (луч света)

Поколения ЭВМ

Обычно развитие вычислительной техники классифицируют по поколениям, в зависимости от внутренней организации ЭВМ, средств взаимодействия пользователя с компьютером и технической реализации машины (т.е. её элементной базы и технических характеристик). Развитие отдельных перечисленных параметров происходило неравномерно, и поэтому деление компьютеров на поколения достаточно условно.

К первому поколению компьютеров относят машины, созданные а конце 40-х - первой половине 50-х годов. Основные особенности этих машин:

•в качестве основных конструктивных элементов содержали электронные лампы;

•программирование велось в машинных кодах (текст программы представлял собой последовательность чисел);

•скорость. работы составляла 5-50 000 операций в секунду;

•оперативная память имела объем несколько килобайт.

Компьютеры первого поколения в основном ориентировались на решение научно-технических задач.

ЭВМ 2-го поколения появились приблизительно в середине 50-х годов. В компьютерах 2-го поколения на смену электронно-вакуумным лампам пришел транзистор, изобретенный в 1947 году в фирме BELL LABS группой исследователей под руководством Уильяма Шокли. Транзистор представляет собой твердотельный усилитель, управляющий электронным потоком не в вакууме, а в твёрдом полупроводниковом кристалле. Транзистор выполняет те же функции, что и вакуумная трубка, но эффективнее - даже самые первые модели по размерам не превышали несколько миллиметров, не требовали вакуума и нагревания, поэтому могли работать постоянно, с минимальным расходом энергии. Транзистор позволил снизить энергопотребление (первая ЭВМ ENIAC, построенная на лампах, потребляла 450 кВт), уменьшить тепловыделение и размеры электронных узлов, чему также способствовало применение монтажа электронных деталей на печатных платах. Быстродействие машин 2-го поколения достигало 100 000 - 1 000 000 оп/сек. На этих ЭВМ появились высокоскоростные запоминающие .устройства (ЗУ) на магнитной ленте, в 1956 г. фирма IBM разработала плавающие магнитные головки, что позволило создать ЗУ на магнитных дисках: В 1960 г. появился первых сменный магнитный диск; в 1953 г. фирма REMINGTON RAND создала первое высокоскоростное печатающее устройство для использования с компьютером, появились графические дисплеи с электронным карандашом. При составлении программ для ЭВМ 2-го поколения стали использоваться алгоритмические языки высокого уровня, первый из которых - FORTRAN - был создан в 1954 г. в фирме IBM группой разработчиков поя руководством Джона Бэкуcа. Во 2-м поколении, наряду с машинами для научных расчетов, появились компьютеры для решения планово-экономических, коммерческих, инженерных задач, а также для управления производственными процессами.

ЭВМ 3-го поколения начинают появляться в середине- конце 60-х годов. Элементной базой машин 3-го поколения служили интегральные микросхемы (ИС) малой и средней степени интеграции. Интегральная схема- это полупроводниковый прибор, содержащий на одном кристалле кремния или германия множество соединенных между собой транзисторов, резисторов, диодов и конденсаторов. Степень интеграции - количество интегрированных элементов (транзисторов) на единицу площади кристалла микросхемы. Измеряется в миллионах транзисторов на квадратный миллиметр (млн./мм2).

Появление транзистора, казалось, открывало надежный путь к созданию вычислительных устройств малых размеров, однако в конце 50-х годов встала серьезная проблема соединения между собой огромного числа компонентов вычислительной машины. Сборка с помощью ручной пайки большого числа соединений приводила к появлению громоздких устройств с ограниченными возможностями. Скорость вычислений замедляли задержки при передаче электронных сигналов по многочисленным проводам электрической схемы. Интегральные схемы позволяют объединять электронные элементы в миниатюрном блоке, многократно уменьшая размеры всей вычислительной системы, повышая ее быстродействие и надежность. Первая ИС на основе германия была изобретена в 1958 г. сотрудником фирмы полупроводников "Texas Instruments" Джеком Килби, а в 1961 г. была запатентована ИС на основе кремния. Её создатель, Роберт Нойc, впоследствии основал знаменитую фирму "Intel".

Первоначально интегральные микросхемы включали в себя только несколько транзисторов, затем степень интеграции была увеличена до сотен и тысяч полупроводниковых элементов. Современные ИС сверхбольшой степени интеграции, имея размер с почтовую марку; содержат в себе несколько сот миллионов транзисторов. Интегральная схема, представляющая собой плоскую пластинку, фактически является трехмерной структурой и получается путем нанесения на кремниевую основу тончайших слоев материалов, которые формируют транзисторы. Каждый такой транзистор имеет диаметр порядка 0.09 мкм и содержит элементы размером около 0.04 мкм.

Как известно, любая вычислительная машина способна выполнять только элементарные логические действия и операцию запоминания. Более сложное преобразование информации в вычислительной технике реализуется последовательностью упомянутых базовых операций. Первые интегральные схемы выполняли основные логические функции или простейшие их сочетания. Дальнейшее развитие производства интегральных схем позволило начать выпуск устройств, реализующих на одном кристалле сложные преобразования.

В 1965 году Гордон Мур, в будущем один из основателей компании INTEL, сделал прогноз развития индустрии интегральных схем. Он отметил, что с начала промышленного производства чипов в 1959 году их сложность ежегодно возрастала почти в два раза. Мур предположил, что плотность упаковки активных элементов в микросхемах будет удваиваться каждые 18 месяцев. Этот прогноз стали называть "законом Мура". Закон Мура в основном оправдывает себя- интегральные схемы становятся все сложнее, число входящих в них транзисторов достигает сотен миллионов штук.

Машины 3-го поколения характеризуются:

·        быстродействием до 1 млн.оп/сек;

·        ёмкостью оперативной памяти до нескольких мегабайт;

·        появилась возможность подключения к одной машине нескольких периферийных устройств ввода-вывода информации, причем расстояние до таких устройств могло быть значительным.

Важнейшим показателем ЭВМ 3-го поколения служит появление машин с программной и конструктивной совместимостью. Компьютеры 1-го и 2-го поколения являлись уникальными техническими устройствами в том смысле, что программы одной модели не могли работать на других компьютерах. Кроме того, узлы и устройства ввода-вывода компьютеров разных моделей не были взаимозаменяемы. Это существенно осложняло эксплуатацию машин, передачу данных с одной машины на другую, а также распространение программ.

В 1964 г. фирма IBM начала выпуск ЭВМ семейства "SYSTEM 360", Все модели этих компьютеров, от самой малопроизводительной до самой мощной, были программно совместимы. Кроме того, достигалась и аппаратная совместимость – одни и те же устройства ввода-вывода могли работать с любой ЭВМ семейства SYSTEM 360. В нашей стране и других социалистических странах выпускался аналог IBM 360 - машины семейства ЕС ЭВМ.

Одной из основных предпосылок появления машин 4-го поколения явился микропроцессор. Микропроцессор - это интегральная микросхема, на которой полностью размещается главное устройство компьютера - процессор, выполняющий арифметические и логические операции, предусматриваемые программой.

Один из первых микропроцессоров был создан в 1971 г. фирмой "INTEL", он назывался "Intel 4004". Этот чип состоял из 2300 транзисторов и выполнял 60 000 операций в секунду.

Четвертое поколение ЭВМ отмечено также появлением микро-ЭВМ, или персональных компьютеров (ПК), благодаря которым вычислительная техника стала широко внедряться во все отрасли человеческой деятельности, вызвав информационную революцию. Первый ПК был создан в 1976 г. американцами Стивеном Джоббсом и Стефаном Возняк. Он назывался "Аррlе I" и первоначально был предназначен для игр. В 1977 г. с появлением компьютеров "Altair 8800", "TRS 80PC", "Pet PC" возник рынок ПК. В 1981 г. фирма IBM, привлеченная спросом на новый вид компьютеров, выпустила свой ПК "IBM РС", который благодаря массовому производству стал стандартом ПК.

В конце 70-х годов ученые пришли к выводу о необходимости создания ЭВМ на качественно новых принципах. ЭВМ нового, 5-го поколения, должны уметь взаимодействовать с человеком при помощи человеческой речи и графических изображений Компьютер должен уметь самообучаться, делать логические заключения, вести разумную беседу с человеком в форме вопросов и ответов. Ряд перечисленных свойств - речевой ввод информации и распознавание рукописного текста - уже доступны даже персональным компьютерам.

Основные типы ЭВМ

Разнообразие форм и областей использования ЭВМ породило широкий спектр машин, различающихся по техническим характеристикам и устройству. Ввиду высоких темпов совершенствования вычислительной техники, классификация её по типам весьма условна, поскольку количественные характеристики классификационных признаков часто меняются. С учетом этого можно сказать, что существуют следующие основные типы ЭВМ:

·        суперкомпьютеры;

·        мэйнфреймы (mainframe);

·        серверы и рабочие станции;

·        персональные компьютеры (мини ЭВМ);

·        специализированные компьютеры.

Суперкомпьютеры, как явствует из названия, стоят на вершине иерархии вычислительных машин, они обладают наивысшей достигнутой в настоящий момент производительностью и являются флагманом прогресса в вычислительной технике, так как многие новинки, впервые примененные в суперкомпьютерах, затем используются в компьютерах других классов.

В настоящее время в области суперкомпьютеров лидируют фирмы NEC, Silicon Graphics и IBM. В США, лидирующих в области строительства суперкомпьютеров, реализуется проект Ускоренной стратегической компьютерной инициативы (ASCI). осуществляемый с 1996 года для оснащения крупнейших исследовательских лабораторий страны (в частности, центра ядерных исследований в Лос Аламосе) с целью перехода от методов натуральных ядерных испытаний к методам, основанным на вычислительных возможностях. Сейчас самыми мощными суперкомпьютерами в мире являются:

1.     Blue Gene/L (создан компанией IBM), пиковая производительность 280.6 Tflops (триллионов операций над числами с плавающей точкой в секунду)- принадлежит министерству энергетики США, установлен в Национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса в Ливерморе (LLNL), используется для моделирования поведения ядерного оружия;

2.     Схожий, но меньшего масштаба компьютер eServer Blue Gene Solution system (IBM), производительностью 91.2 Tflops, установлен в исследовательском центре Thomas J. Watson Research Center, используется для научных и бизнес- исследований;

3.     Компьютер Purple system, разработан IBM в рамках программы ASCI для LLNL, имеет производительность 63.4 Tflops, собран из серверов eSeries 575.

Производительность самых быстрых существующих суперкомпьютеров регулярно оценивается тестом Linpack, основанном на решении линейных уравнений. Результаты тестирования дважды в год публикуются в отчете "ТОР 500". С содержанием последнего отчёта (ноябрь 2007 года) можно ознакомиться на сайте www.top500.org .

Существует также рейтинг 50-ти наиболее мощных вычислительных систем, установленных на территории стран СНГ. Системы ранжируются по результатам, показанным в тесте Linpack. Рейтинг обновляется 2-ды в год. Осенью 2004 года самым мощным в странах СНГ был признан компьютер "Скиф К-1000" производительностью 2,032 Tflops- создан в рамках российско-белорусской программы "СКИФ", установлен в Минске. Этот компьютер создан на базе 576-ти процессоров AMD Opteron с тактовой частотой 2.20 ГГц.

Разрабатывать, создавать и содержать суперкомпьютеры очень дорого, их стоимость пропорциональна производительности и составляет от сотен тысяч до десятков миллионов долларов.

Дорогостоящая погоня за максимальной производительностью суперкомпьютеров имеет практическую основу: благодаря высокой скорости работы, эти вычислительные комплексы позволяют выполнять математическое моделирование и имитацию различных природных процессов - климата и землетрясения, помогают разведке полезных ископаемых, активно используются автомобильными, аэрокосмическими и химическими компаниями для разработки новой техники, используются финансовыми компаниями для пересчёта в режиме реального времени цен пакетов акции с учетом текущего состояния дел на рынке, для анализа риска финансовых операций. В кинематографе суперкомпьютеры применяются для создания искусственных образов с высокой степенью реалистичности. Огромное значение уделяется моделированию ядерных взрывов для проверки ядерных запасов на предмет порчи и старения. Это даёт наиболее развитым странам огромное преимущество перед остальным миром в условиях моратория на ядерные испытания.

Мэйнфреймами называются большие универсальные компьютеры, стоимость и производительность которых ниже суперкомпьютеров, но существенно выше компьютеров других классов.

Традиционно, мэйнфреймы использовались для централизованной обработки информации в крупных учреждениях, ими оснащались вычислительные центры больших научных и учебных заведений, крупных промышленных предприятий, объединений и министерств.

В связи с широким распространением персональных компьютеров и сетей на основе ПК, сфера применения мэйнфреймов сузилась, но они по-прежнему остаются более эффективными по сравнению с локальными сетями, построенными на персональных компьютерах, при числе пользователей, превышающем 100 человек – в этом случае обслуживание большого количества пользователей, работающих на терминалах, подключенных к одной большой машине, обходится дешевле эксплуатации большого числа персональных компьютеров, соединенных вместе каналами передачи данных.

Традиционным и крупнейшим производителем мэйнфреймов является фирма IBM, которая в 1964 году ввела сам термин "мэйнфрейм" и создала первые компьютеры этого типа- машины семейства System 360 и System 370. Они могли использоваться для научно-инженерных расчетов и обработки изображений, поддерживать базы данных терабайтных объемов, обслуживать локальные и глобальные сети. В начале 90-х годов IBM продолжила эволюционное развитие мэйнфреймов – новая серия вычислительных систем этого типа получила название System 390. В 2000 г. появилось их шестое поколение - System 390 G6.

В настоящее время флагманом мэйнфреймов стала серия компьютеров IBM eServer zSeries 900, оптимизированная для задач электронного бизнеса. В ее состав входят 64-разрядные многопроцессорные системы с оперативной памятью объемом 64 Гбайт и с пропускной способностью системы ввода-вывода и адаптеров сетевых каналов, составляющей 24 и 3 Гбайт/с соответственно. Производительность zSeries 900 превышает 2500 MIPS. Каждая машина zSeries 900 может работать автономно или в составе кластера из 32 вычислительных систем совместно с другими компьютерами zSeries и системами IBM System 390.