книги из ГПНТБ / Апокин, И. А. Развитие вычислительных машин

сравнительной оценке различных типов ЦВМ, в том числе универ­

сальных и специализированных). В настоящее время проблема оценки производительности ЦВМ различных типов и структур яв­ ляется весьма актуальной и решается двумя методами: аналити­

ческим и экспериментальным (на основе моделирования) [3].

Проводимые в дальнейшем в настоящей работе сравнительные

оценки производительности некоторых ЦВМ даны по шкале

К. Найта, разработавшего алгоритм вычисления производительно­

сти универсальных ЦВМ и вычислившего конкретные значения

производительности ЦВМ, выпущенных в США в 1944—1967 гг.

[4, 5]. Некоторые данные, полученные Найтом, включены в табл. 2 (см. стр. 195), иллюстрирующую качественные изменения характе­ ристик универсальных ЦВМ и стоимости выполнения вычисли­

тельных работ в 40—60-х годах.

При рассмотрении истории устройств дискретного счета с точ­ ки зрения изменения их вычислительных возможностей прежде

всего обращает па себя внимание резкий (качественный, револю­

ционный) скачок, связанный с созданием электронных ЦВМ. Этот скачок, имевший место на рубеже 50-х годов, произошел при сле­

дующих обстоятельствах.

До середины 30-х годов XX в. цифровая вычислительная тех­ ника была представлена двумя параллельно развивающимися ти­

пами устройств: настольными счетными машинами и счетпо-пер-

форациоппым оборудованием. Настольпые машины применялись

с целью механизации выполнения элементарных арифметических

операций, а счетпо-псрфорационное оборудование использовалось препмущественпо для решения задач статистики и учета. Во вто­

рой половине 30-х — 40-х годов в США и других странах были

предприняты попытки создать на оспове счетно-перфорационного

оборудования новый тип цифровых вычислительных устройств —

программно-управляемую автоматическую ЦВМ. Целью соответ­

ствующих проектов было создаппе ЦВМ для выполнения сложных

научно-технических расчетов. Такие ЦВМ па электромеханиче­ ских реле былп построены и успешно работали по программам, за­

писанным на перфокартах и перфолентах.

Вскоре после начала работ над первыми программно-управля­ емыми автоматическими ЦВМ па электромеханических реле нача­

лось конструирование аналогичных ЦВМ па электронных лампах.

Именно эти работы и произвели революцию в вычислительной тех­

нике.

Применение электронных схем не только позволило па несколь­

ко порядков величины повысить скорость работы ЦВМ, по п созда­

ло потенциальные возможности для очень быстрого дальнейшего повышения вычислительных возможностей машин. При этом ос­

новной причиной качественного изменения вычислительных

возможностей ЦВМ явилось применение электронных схем,

сочетающих высокое быстродействие с принципиально более

высокой надежностью работы, характерной для бесконтактных

10

элементов. Без быстродействующих схем структурные, програм­

мные и любые другие методы повышения производительности

ЦВМ не смогли бы совершить переворот в вычислительной техни­ ке. В то же время в сочетании с электронными схемами програм­ мно-структурные методы оказали существенное влияние на даль­ нейшее повышение эффективности ЦВМ. В этой связи прежде все­ го необходимо отметить, что вскоре после создания первой элек­

тронной ЦВМ (ЭНИАК, США) были разработаны методы программирования и организации ЦВМ, наилучшим образом от­

вечающие специфике электронных элементов. В результате был

создан новый тип машины (ЦВМ с хранимой программой),

приспособленный для решения сложных научно-технических

задач.

Из рассмотрения обстоятельств качественного скачка в разви­

тии ЦВМ в середине 50-х годов XX в. можно сделать вывод, что

решающую роль здесь сыграли характеристики элементов, от ко­

торых преимущественно зависели вычислительные возможности

машин. Характеристики любого элемента зависят как от физиче­

ской сущности используемого явления, которая во многом опреде­

ляет параметры элемента, так и от уровня конструирования и тех­

нологии изготовления. Конструктивно-технологический уровень

определяет степень реализации потенциальных возможностей при

использовании данного физического явления, воспроизводимость параметров при серийном изготовлении, себестоимость элементов

и, таким образом, значительно влияет на технические характери­

стики. При этом существует тесная взаимосвязь физики и техно­

логии. От технологии зависит уровень практического использова­

ния новых физических явлений и закономерностей. В свою оче­ редь использование новых физических явлений в технологии су­ щественно повышает ее уровень. Таким образом представляется

возможность рассматривать характеристики элементов как функ­ цию комплексного физико-технологического фактора.

Естественно, что выявление определяющей роли физико-техно­

логического фактора в революционном изменении вычислительных возможностей ЦВМ в середине 50-х годов XX в. показало необхо­

димость дальнейшего исследования значения этого фактора на всем протяжении истории устройств дискретного счета. При этом из рассмотрения развития доэлектроиной цифровой вычислитель­

ной техники видно, что качественное изменение вычислительных

возможностей устройств дискретного счета происходит в резуль­ тате как создания механических устройств, так и применения

электромеханических (электрических) устройств и машин. В этой

связи представляется целесообразным выделить следующие три

основных этапа развития доэлектронных цифровых устройств.

1.Домеханический (этап абака). Характерное свойство счет­ ных приспособлений состоит в том, что отсутствует механическая передача чисел из низшего разряда в высший (передача десят­

ков). Числа фиксируются количеством различных предметов,

11

а разряды — их положением. Производство действий состоят д

перекладывании предметов по определенным правилам. К устрой­

ствам этого периода относятся различные счетные доски и счеты — все, что понимается под словом «абак». В это время счетные при­ боры были основным, а часто и единственным средством для про­ изводства математических действий. Возможности абака опреде­ ляли во многом уровень математических знаний, в первую очередь арифметических и алгебраических. При выполнении операций на

абаке и при попытках распространить уже выработанные прави­

ла действий на более общие случаи возникали проблемы и задачи,

решение которых приводило к крупнейшим математическим от­ крытиям. Абак был воплощением математических знаний. Мате­ матическая задача считалась решенной, если ее можно было вы­ полнить на абаке. Только с распространением десятичной позици­ онной системы счисления абак стал превращаться во вспомога­

тельный счетный прибор.

2. Механический этап. Наиболее типичными машинами явля­ ются арифмометры различного вида. Арифмометры совершенст­

вовались в связи с требованиями, которые выдвигала практика вы­

числений. Опп были лишь вспомогательными средствами вычисли­ теля и не определяли уровень математических знаний — их роль была значительно скромнее. В этот период развития математики

постановка новых задач не возникала в результате вычислений на арифмометре. Вычислительные машины (арифмометры) и по сво­

им вычислительным качествам не удовлетворяли математику. Роль вычислительной машины в математике свелась к вспомогательно­ му средству вычислителя в довольно элементарных подсчетах.

Арифмометры использовались в основном при обработке статисти­

ческих данных, в бухгалтерском учете, при финансовых расче­

тах и т. п.

Основной особенностью арифмометров является автоматиче

ская передача десятков при помощи различных механических при­ способлений. Движущей силой, которая приводила в движение ме­

ханизм, была рука вычислителя. В этот период создаются арифмо­

метры, работающие на разных принципах, используемых и в на­ стоящее время: валики Лейбница, колеса Однера, непрерывная

передача десятков, пропорциональный рычаг и др.

3. Электромеханический (электрический) этап развития харак­

теризуется созданием счетно-аналитических машин (табуляторов)

и так называемых настольных счетных машин с электроприводом.

Основной особенностью всех этих машин было то, что движущей

силой стала электроэнергия, а счетчики продолжали оставаться механическими, что резко ограничивало возможности электриче­ ских машин.

Счетно-аналитические машины впервые были применены для обработки результатов переписи населения. В этот период делают­

ся попытки использовать счетные машины и для решения слож­ ных научных проблем.

12

Что же касается этапа электронных ЦВМ, то рассмотрение их развития под углом зрения влияния физико-технологического фак­

тора на эволюцию вычислительных возможностей машин приво­

дит к следующим выводам:

1. Повышение производительности электронных ЦВМ дости­

гается в основном за счет четырех факторов: физико-технологиче­ ского — разработка более совершенных элементов; схемного —

эффективная организация этих элементов в схемы, устройства и блоки; структурного — совершенствование организации совокупно­ сти схем, блоков и устройств, составляющих вычислительную ма­

шину; программного — разработка более эффективных методов

программирования.

Все эти факторы взаимосвязаны, и в ряде случаев невозможно

разделить технологический и схемный факторы, структурный и программный факторы и т. д. Поэтому во многих конкретных слу­

чаях повышения производительности электронных ЦВМ следует

говорить о влиянии того или иного комплексного фактора (схем­

но-технологического, схемно-программного, структурно-програм­

много и т. д.).

2. Наиболее важное значение среди данных четырех факторов имеет физико-технологическпй фактор. Роль остальных факторов также велика, хотя и уступает по своему значению физико-тех­ нологическому фактору. При этом взаимосвязь физико-технологи­ ческого и других факторов во многом определяется тем, что зна­

чительная часть новых схемно-структурных решений могла быть

реализована только на базе определенных характеристик эле­

ментов.

Выявление особо важной роли физико-технологического фак­

тора определило выбор принципа периодизации развития элек­

тронных ЦВМ. Этот принцип может быть сформулирован следу­ ющим образом: периоды развития электронной цифровой вычисли­

тельной техники определяются на основе анализа изменения

вычислительных возможностей ЦВМ в зависимости от характери­ стики элементов. При этом под «элементом» понимается недели­ мая (отдельно изготавливаемая, заменяемая в случае неисправно­

сти и т. п.) деталь функциональной схемы (устройства).

Поскольку электронная ЦВМ обычно является сложным ком­

плексом как электронных, так и иеэлектроиных устройств, в каче­

стве ее элемента (неделимой детали) могут рассматриваться ди­

скретные пассивные и активные элементы электронных цепей (со­

противления, емкости, сердечники, лампы, транзисторы), элементы внешних запоминающих устройств (магнитная лента, магнитные барабаны и диски, считывающие магнитные головки), механиче­

ские, электромеханические, электронные, оптические и другие эле­ менты устройств ввода-вывода и т. д.

Представляется целесообразным отметить, что даваемое выше определение элемента не претендует на отражение специфики

электронных ЦВМ. Понятие «элемент» интерпретируется в его

13

наиболее общем значении (составная часть) и рассматривается в технологическом аспекте. Предлагаемое определение использует­

ся только потому, что не существует единого термина, с помощью

которого можно было бы объединить все неделимые в технологи­

ческом отношении детали независимо от их функционального на­ значения. Заметим, что в электронной цифровой вычислительной

технике широко используется такое функциональное понятие, как

«система элементов ЦВМ», которое объединяет «два класса эле­

ментов: логические, с помощью которых реализуются все логиче­ ские и арифметические функции, и вспомогательные, служащие

для усиления, генерирования, формирования, фазирования сигна­ лов, т. е. для обеспечения условий, необходимых для логических

элементов» [6, стр. 432]. Во избежание терминологической пута-

пицы в дальнейшем вместо термина «логический элемепт» исполь­ зуется, как правило, термин «логическая схема».

Характеристики каждого элемента оказывают влияние на вы­

числительные возможности машин. Однако степень этого влияния

для каждого из типов элементов различна. Из множества элемен­

тов, которые использовались на протяжении всего развития элек­ тронных ЦВМ, в качестве основных (т. е. наибольшим образом влияющих на параметры машин) выбраны активные элементы (компоненты) логических схем и элементы внутренних запоми­ нающих устройств. В целях обоснования данного выбора отметим,

что активные элементы электрических цепей (т. е. элементы, вы­

полняющие активную функцию: усиление по мощности, формиро­

вание и генерирование сигналов) являются наиболее важными с точки зрения построения логических и арифметических схем и

устройств. Активные элементы (ламповые триоды п пентоды, трап-

зисторы) применяются во всех внутренних устройствах электрон­

ных ЦВМ и во многом определяют характеристики всех внутрен­ них устройств, в том числе и устройств памяти.

В запоминающих устройствах активные элемепты применя­

ются преимущественно в схемах управления работой памяти и ока­

зывают таким образом существенное влияние па се характеристи­

ки. Однако важнейшую роль здесь играют характеристики элемен­ тов, хранящих информацию, т. е. запоминающих элементов. На

протяжении истории универсальных электронных ЦВМ во внут­

ренних ЗУ широко использовались ртутные линии задержки, элек­

тронно-лучевые трубки, ферритовые сердечники, магнитоплеиочиые

элементы, а также (в сверхоперативных ЗУ) такие схемные эле­

менты, как ламповые триоды, транзисторы и туннельные диоды.

Рассмотрение процесса изменения вычислительных возможно­ стей ЦВМ в зависимости от эволюции характеристик указанных элементов показывает, что качественные изменения производитель­

ности электронных ЦВМ связаны, во-первых, с переходом от элек­ тровакуумных приборов (лампы, электронно-лучевые трубки)

к элементам, выполненным па основе твердого тела (полупровод­

ники, ферриты), и, во-вторых, с переходом от дискретных полупро-

14

водниковых и магнитных элементов (транзисторы, сердечники)

к интегральным схемам, т. е. к интегральной технологии выпол­

нения устройств на твердом теле.

Под интегральной технологией понимается совокупность ме­ тодов, обеспечивающая слияние (интеграцию) технологических стадий изготовления отдельных элементов и схемы в целом. В от­

личие от обычных электронных схем, состоящих из дискретных

активных и пассивных элементов и соответствующих соединений

между элементами, интегральная схема изготовляется как единое

целое в ходе определенных технологических процессов (испаре­

ние в вакууме, эпитаксиальное выращивание полупроводниковых кристаллов, диффузия и пр.). При использовании интегральном технологии в качестве элемента ЦВМ выступает уже не отдель­ ный транзистор или сопротивление, а интегральная. схема, пред­

ставляющая собой единое целое. Например, в монолитной твердой

схеме функции сопротивлений и транзисторов выполняют отдель­ ные области миниатюрной кремниевой пластины.

Развитие технологии интегральных схем привело к созданию

новой области электроники (интегральная электроника), сущест­

венно отличающейся (с точки зрения методов проектирования схем и характера их работы) от классической электроники, основанной

на использовании дискретных элементов.

Замена дискретных элементов интегральными схемами (точно

так же как замена ламповых схем схемами на транзисторах) при­ водит к значительному изменению параметров ЦВМ: повышается быстродействие, уменьшаются потребляемая мощность, вес и га­

бариты, повышаются надежность и технологичность.

Одно из основных направлений развития интегральной техно­

логии состоит в систематическом повышении степени интеграции

схем. Степень интеграции можно приблизительно оценить коли­

чеством компонентов, которое потребовалось бы для создания эк­ вивалентной функциональной схемы на дискретных элементах.

На определенном этапе усложнения интегральных схем происхо­

дит новое качественное изменеппе параметров ЦВМ, а также из­ менение методики их проектирования и методов программирова­ ния. При этом существенное изменение характеристик ЦВМ про­

исходит на этапе создания интегральных подсистем, т. е. на таком этапе развития интегральной технологии, когда отдельный блок

ЦВМ (например, все арифметическое устройство) выполняется на одной миниатюрной полупроводниковой пластине. На этом этапе в качестве элемента ЦВМ, т. е.' неделимой детали, выступает уже

отдельное устройство, с технологической точки зрения представ­

ляющее собой многокомпонентную интегральную схему.

Качественные изменения характеристик универсальных Элек­ тронных ЦВМ в зависимости от типа используемых элементов ил­

люстрируются данными, приведенными в табл. 2.

Производительность первой электронной ЦВМ ЭНИАК (1945 г.)

приблизительно на два порядка величины превышала производи-

15

тельпость разрабатываемых одновременно таких программно-уп­

равляемых релейных систем, как MAPK-I (1944 г.) и «Белл-Ѵ»

(1947 г.). Однако возможности электронных элементов были ис­

пользованы в ЭНИАК далеко не в полной мере. Ее структура и

примененная методика программирования (штеккерное програм­

мирование) во многом копировали электромеханические системы.

Первые универсальные электронные ЦВМ с хранимой програм­

мой - ЭДВАК, CEAK, УНИВАК, НАС (1950-1952 гг.) - по сво­

ей производительности на одни-два порядка величины превосхо­ дили производительность электронных ЦВМ со штеккерпым про­ граммированием, таких как ЭНИАК и ИБМ-604 (1948 г.). По срав­

нению же с электромеханическими системами типа MAPK-I (1944 г.) п MAPK-II (1947 г.) производительность первых элек­

тронных ЦВМ с хранимой программой была па три-четыре поряд­ ка выше.

Следующим важным моментом развития электронных ЦВМ явилась постепенная замена электровакуумных приборов (лампы, электронно-лучевые трубки) схемными элементами, выполненны­

ми на основе твердого тела (ферритовые сердечники, полупровод­ никовые диоды, транзисторы). В результате производительность

первых универсальных ЦВМ, выполненных полностью па транзис­

торах, таких как «Фплко-2000-210» (1958 г.) и ИБМ-7090

(1959 г.), приблизительно на два порядка величины превосходила производительность первых ламповых ЦВМ с хранимой програм­

мой (ЭДВАК, CEAK и др.).

Последствия дальнейшего круппого технологического сдвига — замена дискретных компонентов интегральными схемами — в на­

стоящее время еще трудно оцепить в полной мере. Все же, как видно из табл. 2, производительность первых универсальных ЦВМ

высокого класса на питегральпых схемах, таких как «Барроуз-

5500» (1964 г.) и ИБМ-360/75 (1965 г.), па одии-два порядка

величины превосходит производительность первых транзи­

выделить следующие четыре периода развития электронных ЦВМ:

1.ЦВМ иа электровакуумных приборах. Для даниого периода типичной является ЦВМ БЭСМ ,* в которой функции передачи и

преобразования информации выполняются схемами на электрон­

ных лампах, а оперативная память выполнена на электронно-лу­

чевых трубках.

2.ЦВМ на дискретных полупроводниковых и магнитных эле­ ментах. Основным типом машины данного периода является вы­ полненная на полупроводниковых элементах с оперативным ЗУ иа

ферритовых сердечниках (например, машина БЭСМ-6).

1Здесь и в дальнейшем приводятся первоначальные названия машин, т. е. БЭСМ, а не БЭСМ-1, УНИВАК, а не УНИВАК-1 и т. д.

16

3. Машины на интегральных схемах (гибридных, пленочных,

полупроводниковых и магнитных). В настоящее время этот пери­

од продолжается. Поэтому выделение основного типа машины свя­

зано с известными трудностями. Наиболее целесообразной пред­

ставляется ориентация на тенденцию ко все более широкому ис­

пользованию монолитных полупроводниковых схем (в том числе в запоминающих устройствах) по сравнению с другими типами интегральных схем. Иными словами, целесообразно считать основ­ ным типом машины данного периода ЦВМ, все внутренние устрой­

ства которой выполнены на полупроводниковых интегральных

схемах.

4. Четвертый (перспективный) период связан с построением

ЦВМ на интегральных подсистемах.

C переходом от преимущественного использования одного из типов элементов к другому существенно изменялись все основные

параметры ЦВМ, такие как скорость работы и емкость памяти,

надежность и технологичность, вес и габариты, стоимость оборудо­ вания и стоимость эксплуатации. Разумеется, все эти изменения

были обусловлены не только влиянием физико-технологического фактора, ио и воздействием таких факторов, как схемный, струк­

турный и программный. Применение повых схемных решений и

последовательное усложнение структуры ЦВМ в каждом из пе­

риодов их развития во многом становились возможными благодаря последовательному повышению уровня надежности элементов,

обусловленного пзмененпем их физико-технологических особенно­ стей. При этом уровень надежности во многом определял количе­

ство элементов, используемых в ЦВМ и ее отдельных устройствах. Количество же элементов во многом служило основой для реали­

зации новых схемных и структурных решений (см. схему). На­

чительно более сложной структурой (по сравнению с ламповыми

ЦВМ) стало возможным благодаря более высокому уровню надеж­ ности полупроводников и ферритов по сравнению с электроваку­

умными приборами. В результате в рамках одной системы оказа­ лось возможным использовать до IO5 активных схемных элементов,

т. е. приблизительно на порядок выше, чем в ламповых ЦВМ.

Огромные возможности в этом отношении открываются в резуль­

тате применения интегральных схем.

В разработанной в 1972 г. системе ИЛЛИАК-4 (США) коли­

чество используемых полупроводниковых интегральных схем эк­

вивалентно около IO7 дискретным транзисторам. Основной вклад

в повышение производительности здесь достигается за счет струк­

турных решений, а именпо за счет одновременной работы 64 ус­

тройств обработки данных. Основой, па которой реализуется столь

сложная мультипроцессорная организация, является принципи­

библиотека

сравнению с дискретными компонентами. При современном уров­ не технологии создание подобной системы, например, па электро­

вакуумных приборах, просто немыслимо из-за соответствующих

показателей надежности, потребляемой мощности, габаритов и других параметров ламповых схем. Таким образом, физико-техно­

логический фактор выступает в истории электронных ЦВМ в качестве основы для разработки новых схем и структур, которые в свою очередь вносят существенный вклад в повышение произ­

водительности ЦВМ.

Относительно независимым является развитие программиро­ вания, вклад которогр_в повышение производительности ЦВМ

также весьма существен. Тюздание новых средств прЬграммпрова-

піїя~ії математического обеспечения в той или иной мере связано с развитием структуры электронных ЦВМ. Важным аспектом

связи программного фактора с другими факторами повышения

производительности ЦВМ в различные периоды развития элект­

ронной цифровой вычислительной техники является изменение

соотношения программных и аппаратурных средств при решении

тех или иных вопросов проектирования ЦВМ. Здесь также про­ слеживается определенная связь между программированием и технологией. Например, создание емких и быстродействующих

постоянных ЗУ позволяет в настоящее время широко применять методы микропрограммного управления.

Быстрое снижение себестоимости интегральных схем, повыше­

ние уровня интеграции схем и увеличение надежности создают перспективные возможности для реализации схемными метода-

18

miî различных функций, выполняемых программой (таких как перевод из одной системы счисления в другую, масштабирова­ ние и т. д.). Однако в целом разработка новых средств програм­ мирования, особенно на высшем уровне (универсальные алгорит­ мические языки), значительно менее связана с конкретными технологическими решениями, чем развитие схем и структур. Конечная взаимосвязь программирования и физико-технологи­

ческого фактора выявляется только, если рассмотреть более дли­ тельные промежутки истории развития цифровой вычислитель­

ной техники, чем периоды развития только электронных ЦВМ.

Действительно, если рассмотреть развитие вычислительной тех­

стала актуальной только в период создания электронных ЦВМ,

т. е. в результате применения новых (электронных) схемных

элементов в вычислительной технике. Применение электроники

привело к формированию нового типа ЦВМ (машины с храни­

мой программой), что в высшей степени стимулировало разработ­ ки в области теории алгоритмов, вычислительной математики,

средств программирования и т. д.

В целях упрощения названия отдельных периодов целесооб­

разно применить термин «поколение», часто используемый в тех­

нической литературе. При этом в соответствии с рассмотренной выше схемой история электронной цифровой вычислительной тех­

ники делится на четыре периода:

ЦВМ первого поколения (на электровакуумных элементах) ;

ЦВМ второго поколения (на дискретных полупроводниковых и

магнитных элементах) ; ЦВМ третьего поколения (на интегральных схемах) ;

ЦВМ четвертого поколения (на интегральных подсистемах).

Рассмотрев по отдельности вопросы, связанные с ролью фп-

зпко-технологического фактора в развитии как доэлектронных

(домеханических, механических и электромеханических) уст­

ройств и машин дискретного счета, так и электронных ЦВМ, попы­ таемся составить общую схему периодизации развития цифровой

вычислительной техники.

Вдополнение к указанным ранее этапам и периодам пред­

ставляется целесообразным выделить период перехода от элект­

ромеханических к электронным ЦВМ, характеризующийся соз­ данием первых программно управляемых автоматических ЦВМ на электромеханических реле и первой ЦВМ на электронных лам­

пах (ЭПИАК), а также формированием идей, положенных в осно­

ву современных представлений о структуре и программировании электронных ЦВМ.

Вцелях обоснования целесообразности выделения данного

переходного периода необходимо сделать ряд замечаний.

Первые автоматические ЦВМ на электромеханических реле

(типа MAPK-I) были выполнены на основе стандартного перфо­

19