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

на средства математического обеспечения и разработку систем на базе ЦВМ. Сумма данных затрат пользователей, а также количе­

ство занятых разработкой и производством, техническим и мате­ матическим обслуживанием ЭВМ дают достаточно полное представ­ ление о масштабах применения вычислительной техники. В США

в 1972 г. затраты всех групп потребителей (включая правитель­ ственные организации) на оплату вычислительного оборудования,

математического обеспечения и различного рода услуг составили

20,6 млрд, долл., а количество занятых в данных областях превы­

сило 1 млн. человек. В 1973 г. (по предварительной оценке) зат­ раты достигли 23 млрд, долл., т. е. составили 1,8% валового на­

ционального продукта [37].

В предыдущей главе отмечались различные пути развития

вычислительной промышленности в социалистических и капитали­

311

стических странах. Период машин третьего поколения характе­ ризуется развитием вычислительной промышленности во всех

европейских социалистических странах, входящих в состав СЭВ.

Значительную роль в развитии вычислительной промышленности

в странах СЭВ сыграла разработка Единой системы ЭВМ, в кото­ рой приняли участие НРБ, ВНР, ГДР, ПНР, СССР и ЧССР.

В странах капиталистического мира период машин третьего

поколения характеризуется усилением конкурентной борьбы

между корпорациями США и фирмами Западной Европы и Япо­

нии. В процессе конкурентной борьбы ряд крупных фирм были вынуждены либо отказаться от производства ЭВМ, либо объеди­ нить свои возможности в данной области. Так, в 1968 г. было

осуществлено объединение производственных мощностей основ­ ных фирм Великобритании, изготовляющих универсальные ЦВМ.

В результате была создана компания «Интернейшнл Компью­ тера». В 1970—1971 гг. прекратили производство ЭВМ такие крупные фиірмы США, как «Джеиерал Электрик» и «РКА». Опре­ деленное влияние на ход конкурентной борьбы между фирмами капиталистических стран оказывает политика Великобритании, Франции, ФРГ и Японии, направленная на развитие националь­

ной вычислительной промышленности. Наличие собственной вы­

числительной промышленности во все большей степени осознает­

ся государственными деятелями этих стран как необходимое

условие экономической независимости. Однако успехи, достигну­

тые ведущими западноевропейскими странами в области нацио­ нальной вычислительной промышленности, весьма скромны.

Ценою значительных субсидий, выделенных национальным фир­

мам 45, в целом удалось лишь до известной степени стабилизиро­ вать положение, сложившееся в период машпи второго поколения и характеризующееся преобладанием американских компаний на западноевропейских рынках вычислительной техники!. В отличие от планов стран СЭВ, планы совместных разработок стран ЕЭС в

области вычислительной техники до сих пор не принесли замет­

ных результатов. Более эффективной оказалась правительствен­

ная политика Японии, направленная на ограничение деятельно­ сти иностранных компаний ʒ. В результате японские фирмы в настоящее время обеспечивают большую часть потребностей на­

4 Правительство Великобритании систематически оказывает помощь фирме «Интернейшнл Компыотерз». Так, в 1972 г. фирме была выдана субсидия в размере 14 млн. ф. ст. и принято решение о дальнейших ежегодных суб­ сидиях на разработку средств математического обеспечения в сумме 3 млн. ф. ст. Французское правительство в соответствии с планом расширения производства и использования ЭВМ ассигновало на 1971—1975 гг. 1,4 млрд, фр. Правительство ФРГ в 1972 г. приняло второй план развития производ­ ства и использования ЭВМ (первый осуществлялся с 1967 по 1970 г.). Об­ щая сумма ассигнований — 2,4 млрд, марок.

5 В 1972 г. правительство Японии решило продлить срок жесткого контроля над иностранными инвестициями в вычислительную промышленность до августа 1974 г.

312

ционального рынка ЭВМ. Однако им еще не удалось достичь пол­

ной технологической независимости от американских компаний.

Фирмы Японии связаны рядом лицензионных соглашений с кор­

порацией «ИБМ» и другими американскими компаниями.

Основные причины преобладающей роли вычислительной

промышленности США в капиталистическом мире были рассмот­ рены в предыдущей главе. Здесь необходимо отметить, что в пе­

риод машин третьего . поколения особо важную роль сыграли

исследования и разработки американских фирм в области интег­

ральной технологии. Эти исследования и разработки, первоначаль­ но проводившиеся для аэрокосмических и военных целей, в конеч­

ном счете обеспечили американским фирмам более высокий уро­

вень электронной технологии. В результате ведущие компании

Японии и Западной Европы были вынуждены заключить с аме­ риканскими фирмами лицензионные соглашения.

Таблица 17

Позиции основных фирм в парке установленных в США электронных ЦВМ (на 1 января 1972 г.)

Как видно из табл. 17 и 18, в начале 70-х годов на долю фирм

США приходилось около 89% электронных ЦВМ, установленных в странах капиталистического мира. При этом из 56,8 тыс. ЦВМ,

эксплуатировавшихся в конце 1971 г. за пределами США, 42,2 тыс.

(73%) было изготовлено американскими фирмами (преимущест­

венно их зарубежными филиалами). Деятельность зарубежных филиалов обеспечивает высокие прибыли (в частности, за счет

313

Таблица 18

Позиции основных фирм в парке электронных ЦВМ, установленных в капиталистических странах (исключая США, на конец 1971 г.)

более низкой заработной платы за пределами США). Так, норма прибыли от зарубежных операций у корпорации «ИБМ» составила

в '1971 г. 28,5% по сравнению с 1'1% внутри страны. Соответствую­

щие данные для «Ханиуэлл» — 14,7 и 6,5%, для «Диджитэл Экуип-

мент» — 16,6 и 6,9% [38].

Несмотря на отставание вычислительной промышленности ве­ дущих канит ’диетических стран от вычислительной промышлен­ ности США, в период машин третьего поколения имеет место

сближение между этими странами по уровню и масштабам приме­

нения ЭВМ. В этом отношении показательно сравнение данных,

приведенных в табл. 5 и 19. В начале 1965 г. количество электрон-

314

Таблица 19

Парк электронных ЦВМ в капиталистических странах (на конец 1971 г.) [40]

ных ЦВМ, установленных в Великобритании, Франции, ФРГ и Японии, составляло 5,4 тыс., т. е. 23,9% от количества ЦВМ в США. Соответствующие подсчеты по состоянию на конец 1971 г.

дают цифру 36,4%. Данные краткосрочных прогнозов свидетель­

ствуют о дальнейшем постепенном сближении масштабов приме­ нения вычислительной техники в США и других промышленно развитых капиталистических странах. По некоторым оценкам в

1975 г. парк электронных ЦВМ США составит 130 тыс. машин по сравнению с 74,5 тыс. ЦВМ в Западной Европе и 25 тыс.— в

Японии.

5. ЦВМ на интегральных подсистемах

Одной из важнейших тенденций развития интегральных схем является тенденция к интеграции. Показателем степени интегра­

ции обычно служит количество дискретных компонентов, которое

заменяет данную интегральную схему. В качестве показателя сте­

315

пени интеграции цифровых схем часто используется также коли­

чество логических элементов и триггеров, которое заменяет дан­

ная интегральная схема.

Повышение степени интеграции становится возможным в про­ цессе развития интегральной технологии и в конечном счете обус­

ловлено экономическими соображениями — себестоимостью интег­

ральных схем. Полная себестоимость интегральной схемы связана сложной зависимостью с рядом параметров, в том числе с затра­

тами на проектирование, изготовление и контроль. До определен­

ного момента затраты на изготовление интегральной схемы (в пе­

ресчете на один дискретный компонент) падают с ростом числа компонентов. Однако на некотором этапе усложнения схемы сто­

имость одного компонента начинает возрастать из-за уменьшения выхода годных схем. Как показали исследования специалистов

фирмы «Сайнетикс» (США), для каждого определенного момента времени (которому соответствует некоторый уровень' развития ин­ тегральной технологии в данной стране) существует оптимальный

уровень интеграции, определяемый минимпльной стоимостью одно­ го компонента интегральной схемы. Из зарубежных стран наибо­ лее высокий уровень развития интегральной технологии достигнут в США. Анализ себестоимости интегпальных схем, выпускаемых фирмами США, показывает, что в 1962 г. наиболее выгодно было выпускать интегральные схемы с очень малым уровнем интегра­ ции (схемы, эквивалентные десяти дискретным компонентам). В 1967 г. развитие интегральной технологии достигло такого уровня, когда наиболее выгодно стало изготовлять интегральные схемы,

эквивалентные 70 дискретным компонентам. При этом затраты,

приходящиеся на один компонент такой схемы, за пять лет умень­ шились приблизительно в 30 раз по опавпенито с соответствующи­ ми затратами на выпущенные в 1962 г. 10-ком.попентиые схемы

[411.

Таким образом развитие интегральной технологии объективно ппиводит к систематическому повышению уровня интеграции схем.

Для развития универсальных ЦВМ данное обстоятельство имеет

чрезвычайно важное значение. Во-первых, повышение степени ин­

теграции неизбежно приводит к улучшению параметров ЦВМ.

Улучшение параметров обусловлено теми же причинами, которые

обусловили переход от дискретных элементов к интегральным

схемам. Наиболее существенное значение здесь имеют такие фак­ торы, как повышение надежности в результате уменьшения меж­ схемного монтажа в ЦВМ (все большая часть монтажа переносит­ ся на полупроводниковый кристалл интегральной схемы), увели­

чение быстродействия за счет повышения плотности монтажа и

снижение себестоимости. Во-вторых, на определенном этапе по­

вышение степени интеграции является причиной серьезных изме­

нений в структуре ЦВМ, методике их проектирования и методах программирования. Анализ существующих тенденций показывает,

что есть все основания рассматривать ЦВМ на схемах с высокой сте-

316

цепью интеграции (интегральных подсистемах ’) в качестве машин нового, четвертого поколения. При этом современный уровень раз­

вития интегральной технологии позволяет с высокой степенью ве­

роятности предсказать некоторые особенности следующего перио­

да развития универсальных ЦВМ, технологической основой кото­

рого является методика изготовления интегральных подсистем.

В конце 60-х годов развитие интегральной технологии в США

достигло уровня, позволяющего разрабатывать несерийные моде­ ли специализированных (аэрокосмических) ЦВМ на интеграль­

ных подсистемах. Первые экспериментальные машины на интег­

ральных подсистемах были созданы в 1967—1969 гг. и предназна­ чались для использования в военной авиации в качестве бортовых

вычислительных устройств. Естественно, что опубликованные дан­

ные содержат лишь краткую характеристику данных ЦВМ, при из­ готовлении которых были использованы различные технологичес­

кие методы создания интегральных подсистем, в том числе полупро­ водниковая технология получения интегральных схем на бипо­ лярных тпапзисторах и униполярных полевых транзисторов со

структурой металл — окисел — полупроводник (МОП-структу- рой), а также пленочная технология получения интегральных схем, основанная на гетероэпитаксиальном выращивании моно­

кристаллической пленки кремния на монокристаллической сап­

фировой подложке.

В 1967 г. фирма «Рэйдио Корпорэйшн» разработала бортовую

ЦВМ ЛИМАК, предназначенную для решения навигационных

задач. Логическая часть машины изготовлена из интегральных

подсистем па биполярных транзисторах. Всего используется два

типа интегральных подсистем, содержащих 72 и 144 вентиля.

Интегральные подсистемы на МОП-транзисторах применены в

буферном ЗУ емкостью 256 16-разрядных чисел и циклом

80нсек.

Вмарте 1969 г. фирма «Аутоиетикс» завершила разработку

выполнены на полевых транзисторах с МОП-структурой. Цент­

ральный процессор состоит из 24 интегральных подсистем, каж­ дая из которых содержит от 142 до 1053 транзисторов. Отличи­ тельными особенностями машины являются очень малые размеры

(12,5X15,0X17,5 ел«) и потребляемая мощность (10 вт).

В| апреле 1969 г. разработку экспериментальной бортовой ЦВМ

на интегральных подсистемах завершила фирма «Тексас Инстру­ менте». Для изготовления интегральных подсистем на биполяр­

ных транзисторах был использован обычный метод получения

βДля обозначения схем с высокой степенью интеграции в научно-техниче­ ской литературе применяются различные термины: «большие интеграль­ ные схемы», «интегральные решетки», «интегральные подсистемы» и т. д.

В дальнейшем будем использовать термин «интегральная подсистема».

317

полупроводниковых интегральных схем — диффузионная пла­ нарная технология. При этом был достигнут высокий уровень интеграции — в среднем каждая интегральная подсистема содер­

жит 250 логических вентилей. Всего г. машине используются 34

интегральные подсистемы 14 различных типов, в том числе 16

однотипных интегральных подсистем в арифметическом устрой­

стве, 6 — в устройстве ввода-вывода и 12 — в устройстве управ­

ления.

Опыт разработки первых аэрокосмических ЦВМ на дискрет­ ных транзисторах и интегральных схемах показывает, что созда­

ние таких ЦВМ на несколько лет опережает создание первых

серийных моделей универсальных ЦВМ гражданского назначе­

ния. Исходя пз этого, можно ожидать появления первых серий­

ных универсальных ЦВМ на интегральных подсистемах в сере­

дине 70-х годов7. В конце 60-х годов вопросы структуры и проек­ тирования универсальных ЦВМ на интегральных подсистемах

становятся объектом теоретических и практических исследова­ ний. Анализ тенденций, выявленных в процессе данных исследо­ ваний, позволяет определить некоторые особенности ЦВМ на интегральных подсистемах. Прежде всего следует отметить су­ щественное повышение роли машинного проектирования в комп­

лексе работ по проектированию ЦВМ.

Как показали исследования специалистов фирмы «Фэрчайлд»

(США), выполнение заказов потребителей требует разработки

большого количества нестандартных интегральных подсистем. На­

пример, обеспечение ста конструкторских программ в год потребо­ вало бы разработки приблизительно 320 различных интегральных

подсистем еженедельно [43]. Очевидно, что проектирование, про­

ведение экономических расчетов и испытание такого количества интегральных подсистем становятся невозможными без помощи вычислительной машппы.

В настоящее время машинное проектирование используется па различных этапах создания электронпой ЦВМ и широко при­

меняется в СССР, США, Японии и других странах. Только еже­

годные затраты на разработку программ машинного проектиро­ вания составляют в США 50—100 млн. долл. [44]. Детальное

изложение истории автоматизации проектирования ЦВМ не вхо­

дит в нашу задачу. Тем не менее, с точки зрения перспектив разработки универсальных ЦВМ на интегральных подсистемах,

представляется целесообразным рассмотреть основное направле-

7 По состоянию на 1974 г. наиболее быстро растущей областью применения интегральных подсистем в гражданской вычислительной технике являют­ ся микро-ЭВМ, процессоры которых, выполненные на одном-двух кристал­ лах с МОП-структурой, содержат оперативную память и постоянное ЗУ для записи микропрограмм.

В микро-ЭВМ используются серийные МОП-схемы с высокой степенью интеграции (на одном кристалле размещается около IO4 логических и за­ поминающих элементов). Диапазон применения микро-ЭВМ в настоящее время ограничен скоростью работы серийных МОП-схем (тактовая часто­ та микропроцессоров — до 1 Λfllf).

318

ние современного развития машинного проектирования. Как отмечается в работе [42], до 1962 г. развитие машинного проек­

тирования шло преимущественно в трех направлениях:

1)создание специализированных машин (либо приставок к универсальным вычислительным машинам), позволяющих авто­ матизировать решение отдельных задач на различных этапах

синтеза устройств ЦВМ;

2)создание программ машинного проектирования для реше­

ния отдельных задач на универсальных ЦВМ;

3)моделирование работы устройств.

В то время как первое направление не получило дальнейшего

особенностью развития машинного проектирования ЦВМ в сере­ дине 60-х годов является начало применения системного подхода

к автоматизации проектирования. «При системном подходе раз­

рабатываются не отдельные алгоритмы программы, а целая сово­

купность средств, обеспечивающих максимальное использование

вычислительных машин на всех этапах проектирования» [42,

стр. 4]. Развитие системного подхода связано, во-первых, с при­

менением новых технических средств, обеспечивающих более

эффективную связь человека с машиной в процессе проектирова­

ния, и, во-вторых, с созданием развитой системы математических

средств (включающей специализированные алгоритмические

языки, трансляторы и библиотеки подпрограмм), с помощью ко­

все более широкое применение в СССР и за рубежом. Из работ,

выполненных в СССР, необходимо отметить разработку малой системы автоматизации синтеза цифровых автоматов в Институ­ те кибернетики АН УССР [45]. Система состоит из 17 программ

(в общей сложности 25 тыс. команд), с помощью которых пол­

со счетным входом. Область применения системы ограничена

автоматами, произведение числа которых на количество входных сигналов не превышает 106. На практике это соответствует схе­

мам, содержащим не более 10—12 двоичных запоминающих эле­

ментов.

Значительную роль в развитии системного подхода к пробле­

ме машинного проектирования ЦВМ играет применение методов

графической связи человека с машиной. Разработка методов гра­

фической связи была начата в США в начале 60-х годов. Первой

печатной работой, в которой рассматривалась идея графического

метода машинного проектирования, явился доклад А. Сазерлен­

да (1963 г.), посвященный системе «Скетчпэд», реализованной

319