Аппаратная часть

Программная часть

Рис. 4.3. Составные части вычислительной системы.

Дадим краткое описание и назначение составных частей вычислительной системы.

Аппаратная часть.

- Процессор – непосредственно осуществляет управление вычислительным процессом на основе программного управления (под действием программы) и процесс переработки цифровой информации [4]. Основными параметрами процессора, определяющими в значительной мере его возможности и свойства, является тактовая частота, разрядность и количество ядер (т.е. отдельных процессоров, расположенных на одном чипе и работающих согласованно).

- Оперативное запоминающее устройство - служит для хранения 1) исходных данных решаемой задачи, 2) программы вычислений, 3) промежуточных результатов, 4) конечных результатов и 5) ядра операционной системы в процессе вычислений. Основной параметр оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) - объем памяти. Другим важным параметром является время доступа к выбранному запоминающему элементу.

- Внешнее запоминающее устройство - служит для запоминания больших объемов информации и сохраняет эту информацию в отключенном состоянии компьютера. Во внешней памяти хранится операционная система, пакет прикладных программ и некоторые программы диагностики. Основные параметры внешнего запоминающего устройства (ВЗУ) – объем памяти и время поиска информации.

- Устройство ввода информации - служит для ввода информации, необходимой при решении задачи.

- Устройство вывода информации - служит для вывода полученных результатов вычислений компьютера.

Программная часть.

• Операционная система – самая важная часть программного обеспечения компьютера. Две основные функции, выполняемые операционной системой: управление вычислительным процессом и формирование интерфейса для пользователя.

• Пакет прикладных программ – стандартные программы, которые широко используются в процессе эксплуатации компьютера. К ним относятся, например, Word, Excel, Access и т.п.

• Программы диагностики и контроля – служат для диагностики работоспособности, как отдельных блоков компьютера, так и всего компьютера в целом.

По назначению, по используемым областям применения компьютеры можно классифицировать на следующие группы:

1. Универсальные (персональные компьютеры);

2. Мэйнфреймы – многопользовательские компьютеры;

3. Управляющие (в основном предназначенные для управления технологическими процессами);

4. Серверы – для управления вычислительными сетями;

5. Переносные – ноутбуки, планшетные, карманные компьютеры;

6. Суперкомпьютеры.

Из всех перечисленных классов компьютеров наибольшее распространение в настоящее время нашли универсальные, персональные компьютеры (ориентировочно – 50% всех компьютеров).

Первые персональные компьютеры появились в середине 70-х гг. прошлого столетия (например, техника Apple, IBM 5100, Altair). В августе 1981 г. корпорация IBM объявила о выпуске нового аппаратно-программного комплекса – персонального компьютера IBM 5150 (позднее он получил название IBM PC). Именно эта модель стала отраслевым стандартом на многие годы и явилась точкой отсчета эпохи персональных компьютеров. Среди причин успеха IBM 5150 нужно назвать два основных момента. Первый – фактор времени. В начале 80-х г.г. рынок созрел для широкого распространения индивидуальных компьютеров (во многом благодаря пионерам, тем же Apple, Altair, IBM 5100). Корпорации IBM удалось найти оптимальное сочетание «цена-функциональность», при которой персональный компьютер был одновременно и полезным для работы, и доступным по стоимости.

Второй фактор – качественно новая бизнес-модель по созданию и продвижению нового устройства на рынок. Для того чтобы ускорить его проектирование , IBM широко использовало принцип «аутсорсинга» для разработки отдельных узлов и элементов компьютера. О двух таких компонентах широко известно – это 16-разрядный процессор Intel 8088 c тактовой частотой 4,77 МГц и операционная система PC-DOS компании Microsoft. Очень важным было то, что компьютер строился по принципу «открытой архитектуры». Это означало, что другие фирмы могут производить совместимые персональные компьютеры. Особенно стремительно «эра персоналок» начала развиваться с 1983 г., когда IBM выпустила компьютер IBM XT (аббревиатура от Extended Technology). Эта машина имела жесткий диск на 10 МБ, оперативную память до 640 Кб и операционную систему MS-DOS 2.1 фирмы Microsoft.

К настоящему времени достигнут следующий уровень параметров персональных компьютеров:

Тактовая частота процессора – 3,8 ГГц;

Объем оперативной памяти – до 4 ГБ (может быть и выше);

Объем памяти внешнего запоминающего устройства (жесткого диска) - до 1 ТБ и выше.

Мэйнфреймы были широко распространены в 60-70 гг. прошлого столетия. Тогда такой компьютер имел много пользовательских мест, так что за одним компьютером могло работать одновременно несколько пользователей. В настоящее время мэйнфреймы используются в крупных организациях для специализированных расчетов. Типичными примерами таких компьютеров были в США IBM 360, IBM 370, а в СССР – ЕС 1046, ЕС 1060 и т.п. В настоящее время 90% этого класса компьютеров занято мэнфреймами IBM . До сих пор на долю языка программирования Кобол приходится 85% от общего объема программного обеспечения, работающего на мэйнфреймах. Переносить же эти программные системы, обслуживающие бизнесс-процессы крупных компаний, на другие платформы задача довольно трудоемкая. Кроме того, мэйнфреймы оказались удачной платформой для операционной системы Linux. Мэйнфреймы с успехом используются в государственных учреждениях и в бизнесе, там, где требуется исключительно устойчивая работа на протяжении ряда лет. Это могут быть системы непрерывного обслуживания, в частности бронирования билетов и им подобные решения.

Современные мэйнфреймы IBM - это 64-разрядные компьютеры. Самой производительной в настоящий момент является модель zSeries 990 Model D32 , способная выполнять 9 млрд. (9 Гига) команд в секунду. Стоимость самой дешевой модели превышает 200 тыс. долл.

Управляющие компьютеры, предназначенные для управления технологическими процессами, имели ту особенность, что их разрядность могла быть понижена по сравнению, например, с универсальными. Это объясняется тем, что работа таких компьютеров связана непосредственно с различными датчиками, погрешность которых достаточно велика. А это в свою очередь не вызывает необходимости выполнять высокоразрядные вычисления.

Серверы – это специализированные компьютеры, предназначенные для управления вычислительными сетями. Они, как правило, имеют бόльшую вычислительную мощность по сравнению с рабочими станциями – персональными компьютерами, подключенными непосредственно к вычислительной сети. Серверы могут не обладать периферийными устройствами, такими как мониторы, клавиатура и т.п.

Переносные компьютеры являются в настоящее время быстро развивающимися устройствами. На них часто возлагаются телекоммуникационные возможности (телефония, интернет, виртуальные игры и т.п.). Они постепенно отвоевывают позиции у персональных компьютеров. Из этого класса компьютеров можно выделить ноутбуки, планшетные (ультрапортативные) компьютеры, карманные компьютеры (КПК) и, в какой-то мере, смартфоны. Наибольшую динамику развития и усовершенствования показывают в настоящее время КПК и смартфоны. Кроме обычных функций компьютера они обладают системой беспроводной связи (чаще всего Wi-Fi и системой спутниковой навигации GPS – Global Positioning System). Их вес находится в пределах 125-200 г., размеры 135х80х18 мм, тактовая частота процессора 450 МГц и более , оперативная память 64 МБ и выше. Что касается смартфонов, то это мобильные телефоны с некоторыми функциями КПК. В настоящее время наблюдается конвергенция (слияние) этих двух разновидностей переносных компьютеров, причем наиболее быстрыми темпами развиваются смартфоны с функциями КПК.

Суперкомпьютеры – это специализированные компьютеры, предназначенные для решения узкого класса задач, требующих значительных вычислительных мощностей (например, моделирование ядерных процессов, расшифровка ДНК человека и т. п.). В настоящее время для суперкомпьютера RoadRunner (IBM, США, Министерство энергетики) получена производительность – 1,105 РFLOPS (т.е. свыше 10¹⁵ опер/с, ) . В процессе проектирования (запуск в 2012 г.) для того же заказчика находится суперкомпьютер Sequoia c мощностью 20 PFLOPS и оперативной памятью 1,6 TБ под управлением операционной системы Linux. Эта машина будет использоваться преимущественно для физико-химического, астрономического и атомного моделирования.

По некоторым оценкам производительность суперкомпьютера Sequoia сравнима с производительностью человеческого мозга. По некоторым косвенным данным память человеческого мозга составляет примерно 10¹⁵ байт.

Агентство Оборонных Исследований США, более известное под своей английской аббревиатурой DARPA , проектирует создание суперкомпьютера с производительностью несколько PFLOPS. Компьютер будет запущен в 2010 году.

Среди 500 самых мощных компьютеров мира в 2010 г. насчитывается несколько российских (например, «Ломоносов» Московского Государственного Университета, 12-е место в мировом списке ТОП500 на первую половину 2010 г. с мощностью 414 TFLOPS; МВС-100К производства Hewlett-Packard, находящийся в межведомственном суперкомпьютерном центре Российской Академии Наук, с производительностью 71,28 TFLOPS; СКИФ МГУ «Чебышев» с производительностью на тесте Linpack 47,3 TFLOPS - совместная белорусско-российская разработка; несколько китайских компьютеров).

В Томском Государственном Университете в начале 2007 г. начал работать суперкомпьютер «СКИФ Cyberia», содержащий 566 процессоров с производительностью 12 TFLOPS , оперативной памятью 1,1 ТБ и дисковой памятью 22,5 ТБ.

В сентябре 2008 г. в КНР создан первый суперкомпьютер мощностью 230 TFLOPS на процессорах Godson китайского производства.

Следует отметить, что более 90% всех суперкомпьютеров работает под управлением операционной системы Linux. Что касается процессорной архитектуры, то здесь безоговорочным лидером является Intel (80% суперкомпьютеров построены на процессорах этой фирмы).