1.1.2. Поколения эвм
Развитие ЭВМ делится на несколько периодов. Поколения ЭВМ каждого периода отличаются друг от друга элементной базой и математическим обеспечением.
Первое поколение (1945-1954 гг.) - ЭВМ на электронных лампах (вроде тех, что были в старых телевизорах). Это начало эпохи становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры таких машин требовали для себя отдельных зданий, и стали давно легендой.
В 1946 году в США была создана первая электронная вычислительная машина (ЭВМ) - ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer - Электронный числовой интегратор и компьютер) (рис. 1.8). Разработчики: Джон Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert).
ENIAC был произведен на свет в Школе электрической техники Moore (при университете в Пенсильвании).
Время сложения - 200 мкс, умножения - 2800 мкс и деления - 24000 мкс.
Компьютер содержал 17468 вакуумных ламп шестнадцати типов, 7200 кристаллических диодов и 4100 магнитных элементов.
Рис. 1.8. Первая ЭВМ ENIAC
Общая стоимость базовой машины - 750000 долларов. Стоимость включала: дополнительное оборудование, магнитные модули памяти (по цене 29706,5 доллара) и аренду у IBM (по 82,5 доллара в месяц) устройства считывания перфокарт (125 карт в минуту). Она также включала и арендную плату (по 77 долларов в месяц) за IBM-перфоратор (100 карт в минуту).
Потребляемая мощность ENIAC - 174 кВт. Занимаемое пространство - около 300 кв. м.
Ввод чисел в первые машины производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, например в ENIAC, как в счетно-аналитических машинах, с помощью штекеров и наборных полей. Хотя такой способ программирования и требовал много времени для подготовки машины, то есть для соединения на наборном поле (коммутационной доске) отдельных блоков машины, он позволял реализовывать счетные "способности" ENIAC'а и тем выгодно отличался от способа программной перфоленты, характерного для релейных машин. Солдаты, приписанные к этой огромной машине, постоянно носились вокруг нее, скрипя тележками, доверху набитыми электронными лампами. Стоило перегореть хотя бы одной лампе, как ENIAC тут же останавливался, и начиналась суматоха: все спешно искали сгоревшую лампу. Одной из причин столь частой замены ламп - возможно, и не слишком достоверной, считалась такая: их тепло и свечение привлекали мотыльков, которые залетали внутрь машины и вызывали короткое замыкание. Если это правда, то термин "жучки" (bugs), под которым подразумевают ошибки в программных и аппаратных средствах компьютеров, приобретает новый смысл. Когда все лампы работали, инженерный персонал мог настроить ENIAC на какую-нибудь задачу, вручную изменив подключение 6 000 проводов. Все эти провода приходилось вновь переключать, когда вставала другая задача.
Рис. 1.9. UNIVAC-1 – первая серийно-выпускаемая ЭВМ
Первой серийно выпускавшейся ЭВМ 1-го поколения стал компьютер UNIVAC (Универсальный автоматический компьютер). Разработчики: Джон Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert). UNIVAC, работа по созданию которого началась в 1946 году и завершилась в 1951 году, - был первым электронным цифровым компьютером общего назначения и имел время сложения 120 мкс, умножения -1800 мкс и деления - 3600 мкс. Он мог сохранять 1000 слов, 12000 цифр со временем доступа до 400 мкс максимально. Магнитная лента несла 120000 слов и 1440000 цифр. Ввод/вывод осуществлялся с магнитной ленты, перфокарт и перфоратора. Его первый экземпляр был передан в Бюро переписи населения США.
В Советском Союзе первая электронная цифровая вычислительная машина была разработана в 1950 году под руководством академика С. А. Лебедева в Академии наук Украинской ССР. Она называлась «МЭСМ» (малая электронная счётная машина) (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Малая электронная счётная машина (МЭСМ)
МЭСМ была самой быстродействующей и практически единственной регулярно эксплуатируемой ЭВМ в Европе. МЭСМ разработана в Институте электроники Академии наук Украины под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева. Принципы построения МЭСМ были разработаны С.А. Лебедевым независимо от аналогичных работ на Западе. Коллектив сотрудников, создавших МЭСМ, стал ядром организованного на базе лаборатории С.А. Лебедева Вычислительного центра НАН Украины, а впоследствии - Института кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины. Конструктивно она была изготовлена в виде макета.
Работа по созданию машины носила научно-исследовательский характер и имела целью экспериментальную проверку общих принципов построения универсальных ЦВМ.
Основные параметры машины таковы: быстродействие - 50 операций в 1 секунду; емкость оперативного ЗУ - 31 число и 63 команды; представление чисел - 16 двоичных разрядов с фиксированной перед старшим разрядом запятой; команды трехадресные, длиной 20 двоичных разрядов (из них 4 разряда - код операции); рабочая частота - 5 килогерц; машина имела также постоянное (штекерное) ЗУ на 31 число и 63 команды; была предусмотрена также возможность подключения дополнительного ЗУ на магнитном барабане, емкостью в 5000 слов. ОЗУ было построено на триггерных регистрах, АУ - параллельного действия, чем в основном, и объясняются сравнительно большие аппаратурные затраты (только в ОЗУ было использовано 2500 триодов и 1500 диодов). Потребляемая мощность составляла 15 кВт, машина размещалась на площади 60 кв.м.
Обладая, естественно, низким быстродействием и малой емкостью ОЗУ, “МЭСМ”, тем не менее, была алгоритмически довольно развитой и, кроме того, содержала в своей структуре некоторые особенности, представляющие интерес и сейчас. Так, непосредственно связанное с арифметическим устройством ОЗУ было построено на таких же триггерах, как и устройство управления и арифметическое устройство, и могло непосредственно связываться с медленно действующим ЗУ на магнитном барабане. Машина имела сменное долговременное ЗУ для хранения числовых констант и неизменных команд. Опыт, накопленный в процессе разработки машины, был использован при создании машины “БЭСМ”, а сама “МЭСМ” рассматривалась в качестве действующего макета, на котором отрабатывались принципы построения “БЭСМ”. Несмотря на невысокие технические характеристики “МЭСМ”, выбранные с учетом ее назначения, технической базы того времени и условий разработки, проводилась эффективная эксплуатация машины, в процессе которой было решено большое количество научно-технических и народно-хозяйственных задач. Решение ряда задач играло важную роль для многих отраслей науки и техники начала 50-х гг. Создание и эксплуатация “МЭСМ” явились также решающим стимулом для развития программирования и разработки широкого круга вопросов вычислительной математики.
В декабре 1951 года успешно прошла испытание первая в СССР автоматическая цифровая вычислительная машина М-1 (АЦВМ М-1) (рис. 1.11), построенная в Москве в лаборатории электросистем Энергетического института Академии наук СССР под руководством члена-корреспондента АН СССР И. С. Брука. Результаты испытаний, как и принято в Академии наук СССР, были оформлены подробным отчетом, утвержденным директором Энергетического института АН СССР академиком Г. М. Кржижановским 15 декабря 1951 года.
Машина была введена в эксплуатацию для решения задач как в интересах ученых своего института, так и для сторонних организаций. Одним из первых на ней решал свои задачи по ядерным исследованиям академик С. Л. Соболев, бывший в то время заместитель по научной работе в институте И. В. Курчатова. Для его коллектива требовалось провести расчеты по обращению матриц большой размерности, и это было выполнено на М-1 в самом начале 1952 года. Велись большие расчеты для фирмы академика А. И. Берга. Решали на этой машине свои задачи и ученые ряда институтов Академии наук СССР.
Рис. 1.11. АЦВМ М-1 и первая задача, решенная на ней
Машина М-1 находилась в эксплуатации более трех лет. Использовали эту машину и ее разработчики для решения различных задач с целью проверки технических вопросов дальнейшего развития вычислительной техники и отработки технологии программирования. М-1 была изготовлена в единственном экземпляре, но многие структурные и принципиальные схемные решения, внедренные в этой машине, были использованы в серийных машинах М-3, "МИНСК", "РАЗДАН" и других.
Машина М-1 включала: арифметическое устройство параллельного типа, устройство управления - главный программный датчик, внутреннюю память двух видов (медленную на магнитном барабане и быструю на электростатических трубках) и устройство ввода-вывода с использованием телеграфной буквопечатающей аппаратуры.
Впервые в мировой практике создания электронных цифровых вычислительных машин логические схемы в машине М-1 строились на полупроводниковых элементах - малогабаритных купроксных выпрямителях КВМП-2-7. Это позволило значительно сократить количество электронных ламп, уменьшить размеры машины и сократить потребляемую мощность электроэнергии.
Основные характеристики М-1:
система счисления - двоичная. Количество двоичных разрядов – 25;
система кодирования – двухадресная;
внутренняя память:
- медленная на магнитном барабане - 256 чисел;
- быстрая на электронных трубках - 256 чисел.
скорость работы - около 20 оп/с при работе с магнитным барабаном и около 1000 оп/с при работе с электронной памятью на электростатических трубках;
потребляемая мощность - 8 кВт;
занимаемая площадь - 4 кв. м. (при эксплуатации машина М-1 размещалась в комнате площадью в 12 кв. м.).
Работы по созданию АЦВМ М-1 выполнялись по заданию Академии наук СССР. Соответствующее постановление Президиума АН СССР было принято в апреле 1950 года. Руководитель разработки заведующий лабораторией электросистем Энергетического института АН СССР И. С. Брук (рис. 1.12), который уже несколько лет занимался вопросами создания цифровых вычислительных машин, оперативно организовал проведение работ. |
Рис. 1.12. Руководитель разработки М-1 И.С. Брук |
Уже в начале лета 1950 года работа шла полным ходом. Разработка арифметического устройства и системы логических элементов выполнялась Н. Я. Матюхиным и Ю. В. Рогачевым, разработка главного программного датчика - М. А. Карцевым и Р. П. Шидловским, разработка запоминающего устройства на магнитном барабане - Н. Я. Матюхиным и Л. М. Журкиным, запоминающего устройства на электростатических трубках - Т. М. Александриди, разработка устройства ввода-вывода - А. Б. Залкиндом и Д. У. Ермоченковым, разработка системы электропитания - В. В. Белынским, разработка конструкции -И. А. Кокалевским. Комплексную отладку машины и отработку технологии программирования возглавил Н. Я. Матюхин.
Разработчики машины М-1 - первой российской ЭВМ - впоследствии стали крупными специалистами в области вычислительной техники и внесли значительный вклад в ее развитие на предприятиях. Их труд высоко оценен присвоением ученых степеней и почетных званий, присуждением государственных наград.
Программное обеспечение компьютеров 1-го поколения состояло в основном из стандартных подпрограмм.
Машины этого поколения: «ENIAC», «МЭСМ», «БЭСМ», «IBM -701», «Стрела», «М-2», «М-3», «Урал», «Урал-2», «Минск-1», «Минск-12», «М-20» и др. Эти машины занимали большую площадь, использовали много электроэнергии и состояли из очень большого числа электронных ламп. Например, машина «Стрела» состояла из 6400 электронных ламп и 60 тыс. штук полупроводниковых диодов. Их быстродействие не превышало 2…3 тыс. операций в секунду, оперативная память не превышала 2 Кб. Только у машины «М-2» (1958 г.) оперативная память была 4 Кб, а быстродействие 20 тыс. операций в секунду.
ЭВМ 2-го поколения были разработаны в 50-х – 60-х гг. В качестве основного элемента были использованы уже не электронные лампы, а полупроводниковые диоды и транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны — далекие предки современных жестких дисков. Второе отличие этих машин — это то, что появилась возможность программирования на алгоритмических языках. Были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров. Программирование, оставаясь наукой, приобретает черты ремесла. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу.
Машины этого поколения: «РАЗДАН-2», «IВМ-7090», «Минск-22,-32», «Урал- 14,-16», «БЭСМ-3,-4,-6», «М-220, -222» и др.
В структуре БЭСМ-6 (рис. 1.13) впервые в отечественной практике и независимо от зарубежных ЭВМ (STRETCH фирмы IBM) был широко использован принцип совмещения выполнения команд (до 14 одноадресных машинных команд могли находиться на разных стадиях выполнения). Этот принцип, названный главным конструктором БЭСМ-6 академиком С. А. Лебедевым принципом "водопровода", стал впоследствии широко использоваться для повышения производительности универсальных ЭВМ, получив в современной терминологии название конвейера команд.
Работа модулей оперативной памяти, устройства управления и арифметико-логического устройства осуществлялась параллельно и асинхронно, благодаря наличию буферных устройств промежуточного хранения команд и данных. Для ускорения конвейерного выполнения команд в устройстве управления были предусмотрены отдельная регистровая память хранения индексов, отдельный модуль адресной арифметики, обеспечивающий быструю модификацию адресов с помощью индекс-регистров, включая режим стекового обращения.
Ассоциативная память на быстрых регистрах (типа cache) позволяла автоматически сохранять в ней наиболее часто используемые операнды и тем самым, сократить число обращений к оперативной памяти. "Расслоение" оперативной памяти обеспечивало возможность одновременного обращения к разным ее модулям из разных устройств машины.
Применение полупроводников в электронных схемах ЭВМ привели к увеличению достоверности, производительности до 30 тыс. операций в секунду и оперативной памяти до 32 Кб. Уменьшились габаритные размеры машин и потребление электроэнергии. Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. На втором поколении компьютеров впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Соответственно расширялась и сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике; компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже компьютеризовали свою бухгалтерию, предвосхищая моду на двадцать лет.
Рис. 1.13. БЭСМ-6 — использовалась во всех отраслях народного хозяйства (нефтепромыслы, машиностроение, атомная энергетика и т.п.)
Разработка в 60-х годах интегральных схем - целых устройств и узлов из десятков и сотен транзисторов, выполненных на одном кристалле полупроводника (то, что сейчас называют микросхемами) привело к созданию ЭВМ 3-го поколения. В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной. Применение интегральных схем намного увеличило возможности ЭВМ. Теперь центральный процессор получил возможность параллельно работать и управлять многочисленными периферийными устройствами. ЭВМ могли одновременно обрабатывать несколько программ (принцип мультипрограммирования). В результате реализации принципа мультипрограммирования появилась возможность работы в режиме разделения времени в диалоговом режиме. Удаленные от ЭВМ пользователи получили возможность независимо друг от друга оперативно взаимодействовать с машиной.
В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Пробившаяся в лидеры фирма IBM, первой реализовала семейство ЭВМ - серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM (рис. 1.14).
Начиная с ЭВМ 3-го поколения, традиционным стала разработка серийных ЭВМ. Хотя машины одной серии сильно отличались друг от друга по возможностям и производительности, они были информационно, программно и аппаратно совместимы. Например, странами СЭВ были выпущены ЭВМ единой серии («ЕС ЭВМ») «ЕС-1022», «ЕС-1030», «ЕС-1033», «ЕС-1046», «ЕС-1061», «ЕС-1066» и др. Производительность этих машин достигала от 500 тыс. до 2 млн. операций в секунду, объём оперативной памяти достигал от 8 Мб до 192 Мб.
К ЭВМ этого поколения также относится «IВМ-370», «Электроника — 100/25», «Электроника — 79», «СМ-3», «СМ-4» и др.
Для серий ЭВМ было сильно расширено программное обеспечение (операционные системы, языки программирования высокого уровня, прикладные программы и т.д.).
Невысокое качество электронных комплектующих было слабым местом советских ЭВМ 3-го поколения. Отсюда постоянное отставание от западных разработок по быстродействию, весу и габаритам, но, как настаивают разработчики СМ, не по функциональным возможностям. Для того, чтобы компенсировать это отставание, разрабатывались спецпроцессоры, позволяющие строить высокопроизводительные системы для частных задач. Оснащенная спецпроцессором Фурье-преобразований СМ-4, например, использовалась для радиолокационного картографирования Венеры.
Рис. 1.14. System/360 фирмы IBM
Еще в начале 60-х гг. появляются первые миникомпьютеры - небольшие маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Миникомпьютеры представляли собой первый шаг на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 70-х годов. Известное семейство миникомпьютеров PDP фирмы Digital Equipment послужило прототипом для советской серии машин СМ.
Между тем, количество элементов и соединений между ними, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 70-е годы интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов. Это позволило объединить в единственной маленькой детальке большинство компонентов компьютера - что и сделала в 1971 году фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов. Этому изобретению суждено было произвести в следующем десятилетии настоящую революцию - ведь микропроцессор является сердцем и душой современного персонального компьютера.
Но и это еще не все - поистине, рубеж 60-х и 70-х годов был судьбоносным временем. В 1969 году зародилась первая глобальная компьютерная сеть - зародыш того, что мы сейчас называем Интернетом. И в том же 1969 году одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое передовое положение.
К сожалению, начиная с середины 70-х годов стройная картина смены поколений нарушается. Все меньше становится принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, - прежде всего за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.
Обычно считается, что период с 1975 года принадлежит компьютерам четвертого поколения. Их элементной базой стали большие интегральные схемы (БИС). В одном кристалле интегрировано до 100 тысяч элементов). Быстродействие этих машин составляло десятки млн. операций в секунду, а оперативная память достигла сотен Мб. Появились микропроцессоры (1971 г. фирма Intel), микро-ЭВМ и персональные ЭВМ. Стало возможным коммунальное использование мощности разных машин (соединение машин в единый вычислительный узел и работа с разделением времени).
В 1973 году фирма Intel выпустила процессор 8080, который мог адресовать 64 Кбайт памяти. Это был одним из самых серьезных шагов по пути к созданию современных персональных компьютеров. Фирма IBM выпустила свой первый персональный компьютер в 1975 году.
Рис. 1.15. Первый персональный компьютер IBM 5100
Модель 5100 (рис. 1.15) имела 16 Кбайт памяти, встроенный интерпретатор языка BASIC и встроенный кассетный лентопротяжный механизм, который использовался в качестве запоминающего устройства.
Многие полагают, что достижения периода 1975-1985 гг. не настолько велики, чтобы считать его равноправным поколением. Сторонники такой точки зрения называют это десятилетие принадлежащим "третьему-с половиной" поколению компьютеров. И только с 1985года, когда появились супербольшие интегральные схемы (СБИС), в кристалле которой размещается до 10 млн. элементов, следует отсчитывать годы жизни 4-го поколения ЗВМ, здравствующегося и по сей день.
Развитие ЭВМ 4-го поколения пошло по 2-м направлениям:
1-ое направление — создание суперЭВМ - комплексов многопроцессорных машин. Быстродействие таких машин достигает нескольких миллиардов операций в секунду. Они способны обрабатывать огромные массивы информации. Сюда входят комплексы ILLIAS-4, CRAY, CYBER, «Эльбрус-1», «Эльбрус-2» и др. Многопроцессорные вычислительные комплексы (МВК) "Эльбрус-2" активно использовались в Советском Союзе в областях, требующих большого объема вычислений, прежде всего, в оборонной отрасли. Вычислительные комплексы "Эльбрус-2" эксплуатировались в Центре управления космическими полетами, в ядерных исследовательских центрах. Наконец, именно комплексы "Эльбрус-2" с 1991 года использовались в системе противоракетной обороны и на других военных объектах.
2-ое направление — дальнейшее развитие на базе БИС и СБИС микро-ЭВМ и персональных ЭВМ (ПЭВМ). Первыми представителями этих машин являются Apple, IBM - PC ( XT , AT , PS /2), «Искра», «Электроника», «Мазовия», «Агат», «ЕС-1840», «ЕС-1841» и др.
Начиная с этого поколения, ЭВМ стали называть компьютерами.
Благодаря появлению и развитию персональных компьютеров (ПК), вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Складывается парадоксальная ситуация: несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему во всех отношениях отстают от больших машин, львиная доля новшеств - графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети - обязаны своим появлением и развитием именно этой "несерьезной" техники. Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, не вымерли и продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют на компьютерной арене, как это было раньше.
Программа разработки, так называемого, пятого поколения ЭВМ была принята в Японии еще в 1982 году. Предполагалось, что к 1991 году будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта. С помощью языка Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки - задачи хранения и обработки знаний. Коротко говоря, для компьютеров пятого поколения не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на "почти естественном" языке, что от них требуется.
Предполагается, что их элементной базой будут служить не СБИС, а созданные на их базе устройства с элементами искусственного интеллекта.
На ЭВМ пятого поколения ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработки всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с 1-го по 4-е поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ 5-го поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров - устранения барьера между человеком и компьютером.
К сожалению, японский проект ЭВМ пятого поколения (рис. 1.16) повторил трагическую судьбу ранних исследований в области искусственного интеллекта. Проведенные в ходе проекта исследования и накопленный опыт по методам представления знаний и параллельного логического вывода сильно помогли прогрессу в области систем искусственного интеллекта в целом.
Главные направления исследований были следующими:
технологии логических заключений (inference) для обработки знаний;
технологии для работы со сверхбольшими базами данных и базами знаний;
рабочие станции с высокой производительностью;
компьютерные технологии с распределёнными функциями;
суперкомпьютеры для научных вычислений.
Рис. 1.16. Компьютер пятого поколения PIM/m-1,
один из немногих, увидевших свет
Речь шла о компьютере с параллельными процессорами, работающим с данными, хранящимися в обширной базе данных, а не в файловой системе. При этом, доступ к данным должен был осуществляться с помощью языка логического программирования. Предполагалось, что прототип машины будет обладать производительностью между 100 млн. и 1 млрд. LIPS, где LIPS — это логическое заключение в секунду. К тому времени типовые рабочие станции были способны на производительность около 100 тысяч LIPS.
Ход разработок представлялся так, что компьютерный интеллект, набирая мощность, начинает изменять сам себя, и окончательной целью было создать такую компьютерную среду, которая сама начнёт производить следующую, причём принципы, на которых будет построен окончательный компьютер, были заранее неизвестны. Эти принципы предстояло выработать в процессе эксплуатации начальных компьютеров.
Далее, для резкого увеличения производительности, предлагалось постепенно заменять программные решения на аппаратные, поэтому не делалось резкого разделения между задачами для программной и аппаратной базы.
Ожидалось добиться существенного прорыва в области решения прикладных задач искусственного интеллекта. В частности, такие как:
печатная машинка, работающая под диктовку, которая сразу устранила бы проблему ввода иероглифического текста, остро стоящую в то время в Японии;
автоматический портативный переводчик с языка на язык (непосредственно с голоса), который сразу бы устранил языковый барьер японских предпринимателей на международной арене;
автоматическое реферирование статей, поиск смысла и категоризацию;
другие задачи распознавания образов - поиск характерных признаков, дешифровку, анализ дефектов и т. п.
От суперкомпьютеров ожидалось эффективное решение задач массивного моделирования, в первую очередь в аэро- и гидродинамике.
Эту программу предполагалось реализовать за 10 лет, три года для начальных исследований и разработок, четыре года для построения отдельных подсистем, и последние четыре года для завершения всей прототипной системы. В 1982 году правительство Японии решило дополнительно поддержать проект и основало Институт Компьютерной Технологии Нового Поколения (ICOT), объединив для этого инвестиции различных японских компьютерных фирм.
Многие успехи, которые достиг искусственный интеллект, используют в промышленности и деловом мире. Экспертные системы и нейронные сети эффективно используются для задач классификации: фильтрация СПАМа, категоризация текста и т.д. Добросовестно служат человеку генетические алгоритмы (используются, например, для оптимизации портфелей в инвестиционной деятельности), робототехника (промышленность, производство, быт - везде она приложила свою кибернетическую руку), а также многоагентные системы. Не дремлют и другие направления искусственного интеллекта, например, распределенное представление знаний и решение задач в Интернете: благодаря им в ближайшие несколько лет можно ждать революции в целом ряде областей человеческой деятельности.
Вера в будущее параллельных вычислений была в то время настолько глубокой, что проект «компьютеров пятого поколения» был принят в компьютерном мире очень серьёзно. После того, как Япония в 70-е годы заняла передовые позиции в бытовой электронике, и в 80-е годы стала выходить в лидеры в автомобильной промышленности, японцы приобрели репутацию непобедимых. Проекты в области параллельной обработки данных тут же начали разрабатывать в США - в Корпорации по Микроэлектронике и Компьютерной Технологии (MCC), в Великобритании - в фирме Олви (Alvey) и в Европе в рамках Европейской Стратегической Программы Исследований в области Информационных Технологий (ESPRIT).
В СССР также начались исследования параллельных архитектур программирования. Для этого в 1985 году было создано ВНТК СТАРТ, которому за три года удалось создать процессор «Кронос» и прототипный мультипроцессорный компьютер МАРС.
В отличие от японцев, задача интеграции огромного числа процессоров и реализация распределённых баз знаний на базе языков типа Пролог не ставилась, речь шла об архитектуре, поддерживающей язык высокого уровня типа Модула-2 и параллельные вычисления. Поэтому проект нельзя назвать пятым поколением в японской терминологии.
Рис. 1.17. Рабочая станция Кронос 2.6 WS
В 1988 году проект был успешно завершён, но не был востребован и не получил продолжения по причине «перестройки» и невыгодной для отечественной компьютерной индустрии рыночной ситуации. «Успех» заключался в частичной реализации прототипной архитектуры (в основном, аппаратных средств), однако подобный японскому «большой скачок» в области программирования, баз данных и искусственного интеллекта в рамках этого проекта даже не планировался.
Последующие десять лет японский проект «компьютеров пятого поколения» стал испытывать ряд трудностей разного типа.
Первая проблема заключалась в том, что язык Пролог, выбранный за основу проекта, не поддерживал параллельных вычислений и пришлось разрабатывать собственный язык, способный работать в мультипроцессорной среде. Это оказалось трудным — было предложено несколько языков, каждый из которых обладал собственными ограничениями.
Вторая проблема возникла с производительностью процессоров. Оказалось, что технологии 80-х годов быстро перескочили те барьеры, которые перед началом проекта считались «очевидными» и непреодолимыми, а запараллеливание многих процессоров не вызывало ожидаемого резкого скачка производительности. Получилось так, что рабочие станции, созданные в рамках проекта, успешно достигли и даже превзошли требуемые мощности, но к этому времени появились коммерческие компьютеры, которые были ещё мощнее.
Помимо этого, проект «Компьютеры пятого поколения» оказался ошибочным с точки зрения технологии производства программного обеспечения. Ещё в период разработки этого проекта фирма Apple разработала графический интерфейс (GUI). А позднее появился Интернет, и возникла новая концепция распределения и хранения данных, при этом интернетовские поисковые машины привели к новому качеству хранения и доступа разнородной информации. Надежды на развитие логического программирования, питаемые в проекте «Компьютеры пятого поколения», оказались иллюзорными, преимущественно по причине ограниченности ресурсов и ненадёжности технологий.
Идея саморазвития системы, по которой система сама должна менять свои внутренние правила и параметры, оказалась непродуктивной, т.е. система, переходя через определённую точку, скатывалась в состояние потери надёжности и утраты цельности, резко «глупела» и становилась неадекватной.
Идея широкомасштабной замены программных средств аппаратными оказалась в корне неверной. Развитие компьютерной индустрии пошло по противоположному пути, совершенствуя программные средства на более простые, но стандартных аппаратных. Проект был ограничен категориями мышления 70-х годов и не смог провести чёткого разграничения функций программной и аппаратной части компьютеров.
С любой точки зрения проект можно считать абсолютным провалом. За десять лет на разработки было истрачено более 50 млрд. ¥, и программа завершилась, не достигнув цели. Рабочие станции так и не вышли на рынок, потому, что однопроцессорные системы других фирм превосходили их по параметрам, программные системы так и не заработали, появление Интернета сделало все идеи проекта безнадёжно устаревшими.
Неудачи проекта объясняются сочетанием целого ряда объективных и субъективных факторов:
ошибочная оценка тенденций развития компьютеров - перспективы развития аппаратных средств были катастрофически недооценены, а перспективы искусственного интеллекта были волюнтаристски переоценены, многие из планируемых задач искусственного интеллекта так и не нашли эффективного коммерческого решения до сих пор, в то время как мощность компьютеров несоизмеримо выросла;
ошибочная стратегия, связанная с разделением задач, решаемых программно и аппаратно, проявившееся в стремлении к постепенной замене программных средств аппаратными, что привело к излишнему усложнению аппаратных средств;
отсутствие опыта и глубинного понимания специфики задач искусственного интеллекта с надеждой на то, что авось увеличение производительности и неведомые базовые принципы системы приведут к её самоорганизации;
трудности, выявившиеся по мере исследования реального ускорения, которое получает система логического программирования при запараллеливании процессоров. Проблема состоит в том, что в многопроцессорной системе резко увеличиваются затраты на коммуникацию между отдельными процессорами, которые практически нивелируют выгоду от параллелизации операций, отчего с какого-то момента добавление новых процессоров почти не улучшает производительности системы;
ошибочный выбор языков типа Лисп и Пролог для создания базы знаний и манипулирования данными. В 80-е годы эти системы программирования пользовались популярностью для САПР и экспертных систем, однако их эксплуатация показала, что приложения оказываются малонадёжными и плохо отлаживаемыми по сравнению с системами, разработанными обычными технологиями, отчего от этих идей пришлось отказаться. Кроме того, трудность вызвала реализация «параллельного Пролога», которая так и не была успешно решена;
низкий общий уровень технологии программирования того времени и диалоговых средств (что ярко выявилось в 90-е годы);
чрезмерная рекламная кампания проекта «национального престижа» в сочетании с волюнтаризмом и некомпетентностью высших должностных лиц, не позволяющая адекватно оценивать состояние проекта в процессе его реализации.
В настоящее время активно ведутся разработки компьютеров шестого поколения. Сам термин электронно-вычислительная машина (ЭВМ) уже практически не используется. Технология микропроцессоров уже приближается к фундаментальным ограничениям. Следуя закону Мура, к 2010-2020 годам размеры транзистора должны уменьшиться до четырех-пяти атомов. Рассматриваются многие альтернативы, но, если они не будут реализованы в массовом производстве, закон Мура перестанет работать. Этот закон (вернее, прогноз соучредителя Intel Гордона Мура) гласит, что плотность транзисторов в микросхеме удваивается каждые полтора года, и все последние 20 лет он выполнялся. Если в начале нового столетия рост производительности микропроцессоров прекратится, то в вычислительной технике наступит стагнация. Но возможно, что вместо этого произойдет технологический скачок с тысячекратным увеличением мощности компьютеров.
К технологиям, способным экспоненциально увеличивать обрабатывающую мощность компьютеров, следует отнести:
молекулярные или атомные технологии;
ДНК и другие биологические материалы;
технологии, основанные на фотонах вместо электронов:
квантовые технологии, в которых используются элементарные частицы.
А если таких успешных направлений будет несколько, то они распределятся по разным нишам. Например, квантовые компьютеры будут специализироваться на шифровании и поиске в крупных массивах данных, молекулярные - на управлении производственными процессами и микромашинах, а оптические - на средствах связи.
Возможности современного производства пока не позволяют наладить недорогое массовое изготовление подобных устройств. Однако многие ученые уверены в том, что решение будет найдено. Например, эффективность "генетических чипов" удалось повысить (а стоимость понизить), благодаря использованию других чипов, содержащих почти полмиллиона маленьких зеркал, - первоначально они предназначались для оптических систем связи.
В нынешнем 21 веке вычислительная техника сольется не только со
средствами связи и машиностроением, но и с биологическими процессами, что откроет такие возможности, как создание искусственных имплантантов, интеллектуальных тканей, разумных машин, "живых" компьютеров и человеко-машинных гибридов. Если закон Мура проработает еще 20 лет, уже в 2020 году компьютеры достигнут обрабатывающей мощности человеческого мозга - 20 000 000 миллиардов операций в секунду. А к 2060 году компьютер сравнится по силе разума со всем человечеством. Одной вероятности подобной перспективы достаточно, чтобы отбросить любые опасения по поводу применения био- и генной инженерии для расширения способностей человека.
Однако, для этого вычислительная техника будущего столетия должна вобрать в себя некоторые новейшие технологии. И они уже существуют – пока лишь в научных лабораториях.
Квантовый компьютер (подробнее рассмотрен в разделе 9.1) будет состоять из компонентов субатомного размера и работать по принципам квантовой механики. Квантовый мир обладает странными свойствами: объекты в нем могут занимать несколько положений одновременно.
Но именно эта странность и открывает новые возможности.
Например, один квантовый бит может принимать несколько значений
одновременно, то есть находиться сразу в состояниях "включено", "выключено" и в переходном состоянии. 32 таких бита, называемых q-битами, могут образовать свыше 4 млрд. комбинаций - вот истинный пример массово-параллельного компьютера. Однако, чтобы q-биты работали в квантовом устройстве, они должны взаимодействовать между собой.
Теоретически квантовые компьютеры могут состоять из атомов, молекул, атомных частиц или "псевдоатомов" - искусственно созданных ячеек для "отлова" электронов. Ряд таких ячеек может служить проводником электронов, так как новые электроны будут выталкивать предыдущие в соседние ячейки. Компьютеру, построенному из таких элементов, не потребуется непрерывной подачи энергии. Однажды занесенные в него электроны больше не покинут систему.
В середине 2007 года в Японии разработан базовый компонент "квантового компьютера" будущего. Он сможет за несколько десятков секунд производить вычисления, на которые самый быстрый современный компьютер потратит не менее 10 миллионов лет.
В то же время японские специалисты признают, что сделали пока хоть и важный, но только первый шаг к достижению поставленной цели. На создание полноценного "квантового компьютера", по их мнению, потребуется более 10 лет.
Оптические компьютеры могут применяться в системах связи, а их элементы построены из оптоволокна. Ввиду того, что оптоволокно стало предпочтительным материалом для широкополосной связи, всем традиционным кремниевым устройствам, чтобы передать информацию на расстояние нескольких миль, приходится каждый раз преобразовывать электрические сигналы в световые и обратно.
Целиком оптические компьютеры появятся через десятилетия, но работа в этом направлении идет сразу на нескольких фронтах. Например, ученые из университета Торонто создали молекулы жидких кристаллов, управляющие светом в фотонном кристалле на базе кремния. Они считают возможным создание оптических ключей и проводников, способных выполнять все функции электронных компьютеров.
Однако прежде, чем оптические компьютеры станут массовым продуктом, на оптические компоненты, вероятно, перейдет вся система связи - вплоть до "последней мили" на участке до дома или офиса. В ближайшие 15 лет оптические коммутаторы, повторители, усилители и кабели заменят электрические компоненты.
Применение в вычислительной технике биологических материалов, являющихся основой биокомпьютеров, позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки. Пока это чашка Петри, наполненная спиралями ДНК, или нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам. По существу, наши собственные клетки - это не что иное, как биомашины молекулярного размера, а примером биокомпьютера, конечно, служит наш мозг.
Ихуд Шапиро из Вейцмановского института естественных наук соорудил пластмассовую модель биологического компьютера высотой 30 см. Если бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул, его размер был бы равен размеру одного из компонентов клетки - 0,000025 мм.
Билл Дитто из Технологического института штата Джорджия провел
интересный эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки, он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи. Вероятно, биологические компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, в отличие от кремниевых устройств, смогут искать нужные решения посредством самопрограммирования. Дитто намерен использовать результаты своей работы для создания мозга роботов.
Недавно компания Hewlett-Packard объявила о первых успехах в изготовлении компонентов, из которых могут быть построены мощные молекулярные компьютеры. Ученые из Hewlett-Packard и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе объявили о том, что им удалось заставить молекулы ротаксана переходить из одного состояния в другое - по существу, это означает создание молекулярного элемента памяти.
Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей, способных выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Такой компьютер может состоять из слоя проводников, проложенных в одном направлении, слоя молекул ротаксана и слоя проводников, направленных в обратную сторону. Конфигурация компонентов, состоящих из необходимого числа ячеек памяти и логических ключей, создается электронным способом. По оценкам ученых Hewlett-Packard, подобный компьютер будет в 100 млрд. раз экономичнее современных микропроцессоров, занимая во много раз меньше места.
Сама идея этих логических элементов не является революционной: кремниевые микросхемы содержат миллиарды точно таких же. Но преимущества в потребляемой энергии и размерах способны сделать компьютеры вездесущими.
Молекулярный компьютер размером с песчинку может содержать миллиарды молекул. А если научиться делать компьютеры не трехслойными, а трехмерными, преодолев ограничения процесса плоской литографии, применяемого для изготовления микропроцессоров сегодня, преимущества станут более существенными.
Первые опыты с молекулярными устройствами еще не гарантируют появления таких компьютеров, однако массовое производство действующего молекулярного компьютера вполне может начаться где-нибудь между 2005 - 2015 годами.