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

значительно медленнее, чем повышение скорости раооты цент­

рального устройства обработки данных. При этом диспропорция в темпах совершенствования характеристик внутреннего и внеш­ него оборудования обусловила необходимость подключать к про­

цессору все большее количество параллельно работающих одно­ типных внешних устройств.

В табл. 22 приведены данные об эволюции некоторых харак­ теристик ЦВМ и их отдельных устройств в 50—60-х годах. Как видно из таблицы, производительность процессора и его отдельных

устройств возросла на три — пять порядков величины, в то время

как производительность внешних устройств увеличилась на одни — три порядка величины. Основная причина существенно более медленного повышения производительности периферийного обору­

дования заключается в принципиальных трудностях совершенст­ вования механических узлов, играющих важную роль в работе значительного большинства внешних устройств. Вплоть до послед­

него времени только в некоторых устройствах периферийного оборудования не использовались механические детали. К числу

таких устройств следует отнести, например, устройства визуаль­

ного вывода на электронно-лучевых трубках. Совершенствование периферийного оборудования было во многом связано с совер­

шенствованием механических узлов и созданием сложных (и до­

рогостоящих) устройств на механическом принципе, имеющих сравнительно высокие рабочие характеристики (например, быстро­

действующие печатающие устройства). Технические трудности

на этом пути, а также такие факторы, как необходимость исполь­ зования многих однотипных внешних устройств в рамках одной

вычислительной системы и систематическое снижение себестои­ мости электронных схем, явились причиной значительного повы­ шения удельного веса стоимости периферийной аппаратуры в

стопмости всего оборудования вычислительной машины

(см. табл. 7) 8. В результате к 1970 г. сложилась явная диспропор­

ция в соотношении стоимости оборудования ЦВМ, а именно

устройства, ответственные за «основную» часть работы машин, т. е. собственно за решение задачи по некоторой программе, стоят существенно меньше, чем комплекс устройств, ответственных за преобразование информации в форму, удобную для работы внут­ ренних устройств, и преобразование выходных данных в форму,

удобную для человеческого восприятия.

Перспективное решение данной проблемы заключается в пере­ ходе от устройств, использующих механические детали, к устрой­

ствам, выполненным полностью на бесконтактных элементах.

Важным шагом на данном пути явилось создание графоаналити­

ческих устройств ввода-вывода. Однако в целом, с точки зрения расширения масштабов применения универсальных ЦВМ, проб-

8 Важную роль сыграло также изменение количества обрабатываемой ин­ формации, т. е. переход к обработке больших массивов информации.

350

лема совершенствования периферийного оборудования в настоя­

щее время весьма актуальна, но-видимому даже более актуальна,

чем проблема дальнейшего совершенствования внутренних

устройств. Действительно, ближайшие перспективы повышения интеграции схем (см. гл. 7) связаны со значительным (на один-

два порядка величины) снижением себестоимости электронных схем (в пересчете на один вентиль). Однако если себестоимость периферийного оборудования (в пересчете иа производительность) будет по-прежнему снижаться сравнительно медленными темпа­

ми, то использование интегральных подсистем не приведет к та­

кому резкому расширению масштабов применения универсальных ЦВМ, которое логически следует из резкого снижения себестои­ мости электронной аппаратуры. Иными словами, замедляющим фактором процесса расширения масштабов применения ЦВМ как

в настоящее время, так и особенно в ближайшие годы является

периферийное оборудование, использующее механические узлы и

детали.

Еще более важное значение, с точки зрения возможностей дальнейшего расширения масштабов применения универсальных ЦВМ, имеет производительность труда при программирова­ нии, которая растет существенно более медленными темпами по сравнению с ростом производительности универсальных ЦВМ.

Типичные данные о диспропорциях роста могут быть получены из табл. 23, в которой приведены некоторые характеристики про­ цесса решения однотипной задачи (расчет траектории ракеты) в

1949—'1965 гг. Данные получены в ходе эксплуатации четырех

универсальных ЦВМ первого — третьего поколений, которые по­

следовательно использовались американской корпорацией «Рэнд» в указанный период времени [13].

Как видно из таблицы, за 16 лет машинное время, требуемое

для решения некоторой задачи, уменьшилось на шесть порядков

Таблица 23

Затраты времени и средств на решение однотипной задачи сотрудниками корпорации «Рэнд» (США) в 1949—1965 гг.

Программирова­

351

величины (в 2,16-IO6 раз), а стоимость данного машинного времени — на четыре порядка величины. При этом время, затра­

чиваемое па составление программы и ее отладку на машине,

уменьшилось лишь па один порядок величины (точнее, в 14 раз),

а стоимость данного процесса — лишь в пять раз. Если в 1949 г. отношение машинного времени к времени написания и отладки программы составляло 1 : 112, то в 1965 г.— 1 : 17 280000. Отноше­ ние стоимости данных процессов в 1949 г. было 1:5, а в 1965 г.—

1:10 000.

Если сопоставить суммарное время, затрачиваемое на подго­

мя уменьшилось лпшь в 14,1 раза, т. е. практически целиком оп­ ределялось ростом производительности при программировании.

Легко показать, что при сохранении современных темпов роста производительности машин и темпов роста производительности

труда при программировании темпы роста производства универсаль­ ных ЦВМ (измеряемые в суммарной вычислительной мощности

выпускаемых машин) должны неизбежно замедляться из-за

невозможностп адекватного количественного роста обслуживающе­ го персонала, прежде всего математиков и программистов. В США

в 1968 г. в сфере вычислительной техники работало около 150 тыс.

математиков-аналитиков и 175 тыс. программистов. Данные спе­

циалисты были заняты препмущоствеино в сфере производства п

эксплуатации универсальных ЦВМ, парк которых в январе 1968 г. насчитывал 47,6 тыс. машин суммарной мощностью 1,9 млрд.

оп/сек. По оценке экономистов США, до середины 70-х годов в

стране возникнут трудности с обеспечением машин необходимым персоналом, прежде всего математиками и программистами.

ЦВМ в раз соответствует необходимость увеличения количества

9 Отметим важное следствие увеличения сложности решаемых с помощью ЦВМ задач — более быстрый темп роста количества математиков-аналпти- ков по сравнению с программистами. Например, в сфере вычислительной

352

тия, вычислительной техники, соответствующей парку машин мощ­

ностью 10‘2 on ceκ, потребуется уже от 1,4 до 14 млн. математиков

в 500 раз по сравнению с 1968 г.) может быть достигнуто в конце

диспропорция между возможностями переработки информации внутри машины и аппаратными и программными возможностями

переработки информации с целью ее вврда в машину. Отметим

следующие основные (для современного уровня развития вычисли­ тельной техники) пути решения данной проблемы.

1.По-видимому, важнейшими из технических средств, полу­

чивших заметное применение на практике и направленных на

уменьшение данной диспропорции, являются средства графоанали­

тического взаимодействия человека с машиной, т. е. устройства ввода типа «световое перо» и.соответствующие языки и програм­ мы графоаналитической связи. Наряду с применением методов гра­

фоаналитической связи существенную роль в уменьшении

отмеченной диспропорции призваны сыграть оптические устрой­ ства ввода печатного и рукописного текста, а также разрабатыва­

емые в настоящее время устройства звукового ввода-вывода. В

целом данное направление развития универсальных ЦВМ может быть охарактеризовано как путь совершенствования устройств,

отвечающих за связь человека с процессором.

2.Проблема упрощения взаимодействия человека с машиной в

настоящее время решается также путем ликвидации ограничений

территориального и временного порядка при необходимости обра­

щения человека к машине. Крупнейшим достижением на данном

пути является создание систем, работающих в режиме APMB.

Заметим, что развитие систем APMB может быть условно раз­

делено на два процесса:

а) количественный процесс расширения сети вычислительных центров, оборудованных машинами, работающими в режиме APMB

между абонентами;

б) качественный процесс совершенствования абонентских

пультов. C учетом использования в абонентских пультах таких устройств, как устройства графоаналитической связи, оптического ввода текста и т. д., представляется целесообразным говорить о синтезе данных процессов улучшения взаимодействия человека и

машины.

техники США в 1965 г. работало 60 тыс. математиков-аналитиков и 120 тыс. программистов. К 1968 г. количество математиков-аналитиков возросло на 150%, а количество программистов — на 46%.

3. Важное значение в настоящее время имеет также преиму­

щественно программный, точнее, программно-структурный путь совершенствования связи человека с машиной. Очевидным на­ правлением работ в данной области является совершенствование

входных алгоритмических языков, а также методов трансляции.

Не менее важное значение имеет развитие машинных языков,

обусловленное совершенствованием структуры процессора. Поль­

зуясь терминологией В. Μ. Глушкова, назовем данный метод упро­

щения взаимодействия с машиной «повышением интеллектуаль­

ности машины» [14]. Примером работ в данном направлении мо­ гут служить исследования в области ступенчатого микропрограм­

мирования в Институте кибернетики УССР, нашедшие практи­ ческое приложение в машинах серим «Мпр».

Итак, проблемы взаимодействия человека с машиной являются

в настоящее время наиболее критичными с точки зрения расшире­

ния масштабов применения универсальных ЦВМ и соответственно

проблемами первостепенной важности с точки зрения планирова­ ния научных исследований в области вычислительной техники.

** *

Рассмотрим теперь вопрос о расширении масштабов внедрения универсальных ЦВМ с точки зрения эффективности их примене­ ния. Анализ имеющихся данных об эффективности использования ЭВМ позволяет сформулировать следующий весьма важный вывод: повышение эффективности применения ЭВМ происходит по мере повышения сложности задач, решаемых с помощью ЭВМ.

Отметим, что уровень сложности решаемой задачи нетрудно выразить в некоторых единицах, например в количестве операций над словами некоторой длины. Разумеется, точная количественная

оценка уровня сложности затруднена такими факторами, как воз­ можность использования в ряде случаев различных методов ре­

шения, искусство программирования, уровень взаимодействия че­

ловека с машиной и т. д. Однако в целом уровень сложности в

любом конкретном случае все же может быть оценен и сопоставлен

с таким показателем, как стоимость машинного времени.

Применительно к некоторой области использования электрон­

ных ЦВМ приведенная выше общая формулировка эффективности

применения вычислительных машин может быть конкретизирова­ на. Например, для применения ЦВМ в сфере управления эконо­ микой в работе [15] предложена следующая формулировка: «Чем

больше экономический организм, тем больший эффект дает

применение новой технологии управления и планирования на базе

электронных вычислительных машин» (стр. 5). В данной работе была приведена следующая оценка эффективности ЭВМ при решении задач различной сложности в сфере управления: «Если речь идет о решении отдельных задач планирования, то эффект

редко достигает 10%. Так, например, «машинное» решение зада­

чи о перевозке угля будет экономичнее «ручного» на 5—7%. On-

354

А. А. Дородницын

По-видимому, первой сложной технической системой, в созда­ нии которой электронная вычислительная техника сыграла значи­ тельную роль, явилось термоядерное оружие. Как известно, термо­ ядерное оружие было создано в 1953 г. в СССР и несколько позже в США [17]. В США на этапе предварительных исследований

(в 1950 г.) использовалась единственная действующая в то время

электронная ЦВМ ЭНИАК. Однако главные трудности возникли

в 1951 г. на этапе опытно-конструкторских работ. К середине 1951 г., отмечает Р. Юнг, «путь к созданию супербомбы стал

известен, но в самом же начале он оказался блокированным еще одной непреодолимой горой, а именно горой цифр. Точное опреде­ ление всего того, что связано с термоядерным взрывом, представ­

лялось труднейшей задачей, поскольку приходилось иметь дело со

сложнейшей последовательностью физических процессов, про­ текающих в долю секунды... Положение спас Джон фон Нейман,

сообщивший Теллеру, что через несколько месяцев надеется закон­

чить изготовление новой электронной вычислительной машины, несравненно более эффективной, чем ЭНИАК» [18, стр. 250—251].

Этой «более эффективной машиной» была машина МАНИАК

(вариант машины НАС — см. гл. 5), производительность которой

356

при выполнении научно-технических расчетов превосходила

производительность ЭНИАК в 40,3 раза i0.

Наряду с термоядерным оружием к числу наиболее сложных технических систем, в развитие которых в 50-е годы универсаль­ ные ЦВМ внесли существенный вклад, следует отнести атомные подводные лодки, сверхзвуковые бомбардировщики, межконтинен­

тальные баллистические ракеты и ракеты-носители искусственных спутников Земли. «Атомная физика, динамика полета и управле­

ния летательными аппаратами и аэродинамика больших скорос­

тей,— отмечает А. А. Дородницын,— были первыми областями, в

которых электронные вычислительные машины нашли широкое

применение» [19, стр. 381]. Во второй половине 50-х и в 60-х го­

дах количество областей применения универсальных ЦВ]М (в рам­

ках сферы научно-технических расчетов) растет чрезвычайно

быстрыми темпами.

Перечень областей применения ЭВМ, составляемый редакцией журнала «Компьютере энд Отомейшн» (США), включал в 1960 г.

по разделу «Наука и техника» около ста пятидесяти, в 1963 г.— около трехсот и в 1967 г. — около шестисот наименований. В пе­

речне 1967 г. раздел «Наука и техника» включал 23 подраздела,

(астрономия, математика, физика, химия, биология, геология, кос­

мические исследования, военная техника, строительство, электро­

техника и т. д.), каждый из которых содержал в среднем 26 облас­ тей применения. Несмотря на всю условность подобных подсче­

тов, они все же дают грубую количественную оценку расширения

сферы применения универсальных ЦВМ.

Сфера обработки массивов информации

Рассматриваемая сфера применения ЦВМ исключительно раз­

нообразна. Прежде всего отметим, что четкой границы, во-пер­

вых, между сферой обработки массивов информации и сферой научно-технических расчетов и, во-вторых, между сферой обра­ ботки информации и сферой применения ЦВМ в автоматических системах управления не существует. В общем случае использо­

вание ЦВМ для обработки информации отличается от применения

всфере научно-технических расчетов четырьмя признаками:

1)значительно большее количество вводимой-выводимой ин­

формации;

2)необходимость преобразования исходной информации при

вводе из нечисловой в числовую форму;

3)использование вычислительной машины в рамках некото­

рой системы технических средств (системы обработки информа­

ции); 4) применение для решения задач обработки информации спе­

цифического математического аппарата (теория массового обслу-

10 Оценка К. Найта [20].

357

живання, теория вероятностей, теория игр, линейное программи­ рование и т. д.).

от сферы научно-технических расчетов) те области применения универсальных ЦВМ, в которых налицо первый из перечислен­

ных, наиболее общий признак: большой объем вводимых-выводи-

мых данных, точнее, сравнительно большое количество исходных данных по отношению к количеству операций, выполняемых над

ними.

lKaκ мы увидим в дальнейшем, развитие применения ЦВМ в сфере обработки информации происходит по линии повышения

роли машины как в сфере принятия решений, так и в сфере ре­

ализации принятых решении. Предельный случай, т. е. когда от­ ветственность как за принятие решений, так и за их выполнение полностью возлагается иа выіислптелыіую машину, представляет­

ся целесообразным выделить в отдельную сферу применения ЦВМ,

а именно в сферу автоматического управления в реальном мас­ штабе времени. В этом случае вычислительная машина использует­ ся в контуре обратной связи некоторой автоматической системы

управления, т. е. вмешательство человека в процесс управления

полностью исключается. Таким образом, с позиции роли челове­ ка в области управления сфера обработки массивов информации

может рассматриваться как промежуточная между сферой научно-

вами, три степени перехода от сферы научно-технических

расчетов к сфере автоматического управления. Заметим, что область применения ЦВМ иа каждом из уровней может быть

одна и та же, например планирование работы промышленного

предприятия. Отличие заключается прежде всего в соотношении функций человека и машины па каждом из уровней.

1. Уровень взаимодействия человека с вычислительной маши­

ной. Человек вводит информацию в машину и получает от нее выходные данные. Такое использование машины отличается от ее обычного применения в сфере научно-технических расчетов

прежде всего характеристиками вводимой информации. Принад­ лежность данного уровня к сфере обработки информации опреде­

ляется преимущественно объемом и (или) формой исходной ин­

формации, а также спецификой используемого математического аппарата.

2. Уровень систем обработки данных. Основное отличие от предыдущего уровня заключается в том, что ЦВМ используется не изолированно, а в рамках некоторой системы технических

средств. Главное отличие от последующих, более высоких уров-

358

пей применения ЦВМ состоит в том, что информация иа выходе машины поступает к человеку, причем использование выходной информации полностью зависит от человека: в принципе человек может как учитывать полученные результаты в своей деятельно­

сти, так и не учитывать их. В этом заключается общая черта

данного (второго) уровня обработки информации как с рассмот­ ренным выше первым уровнем, так и со сферой научно-техниче­

ских расчетов. Основное же отличие состоит в том, что ЦВМ ис­

пользуется в рамках системы технических средств. Конкретные

примеры: система обработки метеорологической информации,

библиотечная система информационно-справочного обслуживания,

система автоматического обучения и т. д. Данный уровень в на­

стоящее время является основным, наиболее развитым уровнем

сферы обработки информации. Выше этого уровня — уже пере­ ходная ступень к автоматическим системам управления.

Применительно к некоторым областям использования данный уровень может быть разделен по крайней мере на два подуровня.

Например, в рамках автоматизированных систем управления

(АСУ) промышленными предприятиями может быть выделен под­

уровень информационно-справочных АСУ и ииформационно-со-

ветующих АСУ (см., например, [21]).

3. Третий уровень сферы обработки информации — переход­ ный от предыдущего уровня к сфере автоматического управления.

Третий уровень — это уровень информационно-управляющих си­ стем. На этом уровне машина не только выдает справочные дан­

ные и «советы», но и вырабатывает конкретные управляющие

предписания (иа основе обработки информации в соответствии с некоторым алгоритмом управления). При работе с данной систе­ мой человек более или менее тесно связан с необходимостью либо выполнить сделанное предписание, либо принять иное решение

в ограниченный срок времени. Типичный пример — боевая инфор-

мацпоиио-управляющая система подводной лодки. В ситуации,

когда система на основе обработки гидроакустической информа­ ции сделала вывод о необходимости изменения курса, человек

должен в ограниченный срок времени принять конкретное реше­

ние. Таким образом, отличием данного уровня от предыдущего является повышение роли машины, более жесткая зависимость человека от результатов обработки информации. Разумеется, та­

кие понятия, как «более жесткая зависимость», носят расплывча­

тый характер. Однако другие определения вряд ли будут более

точными, поскольку данный уровень, как уже отмечалось, явля­

ется переходным от уровня систем обработки информации к уров­

ню систем автоматического управления. От уровня систем авто­

матического управления данный уровень отличается тем, что в качестве звеньев контура обратной связи системы управления

используется не только вычислительная машина, но и человек. Можно было бы сказать, что на данном уровне машина осущест­

вляет управление исполнительными механизмами через человека.

359