4. Классификация (цифровых) эвм

Классификация, в особенности хорошая, представляет собой некоторую систематизацию знаний о классифицируемой области. (Наиболее известными примерами хороших классификаций в науке считаются классификация живых видов К.Линнея и химических элементов Д.И.Менделеева).

Классифицировать ЭВМ можно по различным признакам, выбор которых и определяет различные классификации. Ниже рассматривается следующее разделение ЭВМ.

1. По количеству процессоров/ядер:

- однопроцессорные;

- многопроцессорные (многоядерные).

Это разделение, строго говоря, не отражает функциональные, архитектурные или технологические особенности организации ЭВМ и служит, скорее, как общая характеристика ее сложности, функциональных возможностей и производительности. Хотя зависимость названных параметров от количества процессоров (ядер) не является непосредственной.

Многопроцессорные ЭВМ в ряде случаев представляют собой физически распределенные системы, хотя расположение оперативной памяти и особенности связь с нею, во многом, определяют различия между многопроцессорными и многомашинными системами. Такие ЭВМ иногда называют вычислительными комплексами.

2. По функциональному назначению:

- универсальные;

- специализированные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения различных задач, не будучи специально ориентированными на какой-либо из типов задач. Поэтому характеристики основных блоков ЭВМ данного класса обычно являются сбалансированными для текущего уровня развития технологий.

Говоря об универсальных ЭВМ, следует отметить, что определить понятие универсальности (как и многие другие общие понятия) достаточно сложно. Поэтому, как указывалось Error: Reference source not found, применительно к ЭВМ, универсальность обычно понимается в алгоритмическом смысле.

Специализированные ЭВМ предназначаются преимущественно или исключительно для решения задач определенного класса либо для работы в специфических условиях или при специальных требованиях. Это предполагает особое распределение функциональных возможностей и характеристик отдельных устройств ЭВМ, а также, во многих случаях, определенные особенности конструкторско-технологических решений, используемых при создании таких ЭВМ. Примерами специализированных систем могут служить управляющие ЭВМ, различного рода мобильные ЭВМ, системы обработки сигналов, (процессоры) баз данных, (процессоры) Java-приложений и др.

Иногда выделяют проблемно-ориентированные ЭВМ, относя их к классу, промежуточному между универсальными и специализированными ЭВМ.

3. По вычислительной мощности:

- программируемые калькуляторы;

- карманные компьютеры (и коммуникаторы);

- ноутбуки (лэптопы);

- рабочие станции (десктопы);

- серверы (масштаба отдела, предприятия);

- мэйнфреймы (большие и сверхбольшие ЭВМ);

- вычислительные комплексы (локальные и распределенные)

Данное разделение фактически базируется на нескольких признаках, таких как значения основных характеристик ЭВМ, особенности их применения, оказывающие влияние на эти характеристики, особенности конструктивной реализации. Причем в рамках каждого из указанных видов имеются представители с заметно различающимися параметрами.

Программируемые калькуляторы, известны давно и используются относительно редко. Их можно отнести к самым простым по своей конфигурации программируемым вычислителям.

Карманные компьютеры представляют собой полноценные ЭВМ (без периферии) с относительно маломощными процессорами, небольшой памятью и небольшим дисплеем. Использование их довольно ограниченное.

Ноутбуки постепенно становятся достаточно мощными ЭВМ, обладающими, в силу специфики своего использования ограниченным набором периферийных и внешних запоминающих устройств. Увеличение их мощности приводит к частичной замене ими настольных рабочих станций.

Рабочие станции – наиболее массовый в настоящее время класс ЭВМ, используемый как в производственных, так и в домашних условиях. Наиболее известным представителем этого класса являются IBM PC совместимые персональные ЭВМ. В некоторых случаях собственно персональные ЭВМ отделяют от класса рабочих станций, считая последние более мощными машинами.

Серверы – ЭВМ, обладающие повышенными вычислительными возможностями и надежностью, используемые для обслуживания групп пользователей и/или решения определенного класса задач. Масштабы групп пользователей и объемы решаемых задач могут значительно различаться, что приводит к достаточно широкому диапазону характеристик и особенностей организации серверов. (Следует помнить, что под термином сервер, может пониматься и некоторое программное обеспечение, осуществляющее какой-либо вид обслуживания, например, в архитектуре клиент-сервер.)

Мэйнфреймы – большие ЭВМ, обладающие высокой производительностью, большим объемом оперативной и внешней памяти, высокоскоростными каналами ввода-вывода и повышенной надежностью. Первоначально характерной чертой этих ЭВМ являлись их большие размеры, что и явилось основой названия этого класса: mainframe – главный, основной каркас, остов (иногда на профессиональном жаргоне вычислителей их называли Big Iron – большое железо). Однако с совершенствованием технологий габариты их существенно уменьшились, а позже удалось снизить и их стоимость. Поэтому, хотя в середине 1990-х годов даже шла речь о скором исчезновении данного класса, сегодня используется достаточно большое количество таких ЭВМ. Доминирующее положение в их создании занимает фирма IBM.

Непосредственно к этому классу примыкают и сверхбольшие ЭВМ (суперкомпьютеры), параметры которых имеют еще более высокие значения.

Наконец, можно отнести к рассматриваемому разделению и вычислительные комплексы, которые, собственно говоря, представляют уже не одну а несколько ЭВМ, объединенных высокоскоростными каналами связи.

Примерные количественные показатели отдельных классов ЭВМ по состоянию на 2007-2008 годы представлены в таблице 1.

Класс ЭВМ	Кол-во проц/ядер	Произв	Объем ОП
Карманные компьютеры
Ноутбуки
Рабочие станции
Серверы
Мэйнфреймы

Следует отметить, что известны и другие варианты разделения ЭВМ по вычислительной мощности.

Интересно отметить, что в середине 1960-х годов миниЭВМ выделялись по стоимости, которая должна была быть менее 20000 $. Не так давно, фирма IBM выпустила мэйнфреймы бизнес класса, стоимость которых начинается (всего) от 100000 $.

4. По архитектуре можно выделить следующие типы ЭВМ:

- с традиционной (фон Неймановской) архитектурой;

- с RISC- архитектурой;

- с конвейерной архитектурой;

- с векторной и матричной архитектурой;

- с динамической архитектурой;

- ЭВМ с управлением потоками данных.

Особенности ЭВМ с архитектурой фон Неймана обсуждались выше. Тем не менее, следует отметить, что в настоящем пункте, к данной архитектуре отнесены системы с различными соединениями между основными блоками ЭВМ, которые в других источниках могут и относиться к иным архитектурам.

RISC-архитектура, строго говоря, отдельной архитектурой не является. Аббревиатура RISC означает Reduced Instruction Set Computers – ВМ с упрощенным набором команд. Основная идея RISC состоит в том, что, упростив излишне сложную систему команд (например, система команд процессоров Intel для ПЭВМ включает более 300 команд), можно за счет упрощения логики управления и исполнительных устройств добиться более высокой частоты работы процессора, а, следовательно, сокращения времени выполнения команд. А возможное возрастание трафика между процессором и памятью (поскольку более простых команд придется для тех же задач выполнять больше) можно компенсировать промежуточного хранением большего количества данных в процессоре, увеличив в нем количество регистров за счет освободившейся при упрощении его схемы площади кристалла.

Появление этой архитектуры относится к началу 1980-х годов. Причем первоначально некоторые исследователи полагали, что RISC-архитектура вытеснит обычные компьютеры, которые стали иногда называть CISC – Complete (или Complex) Instruction Set Computers (ВМ с полной системой команд). Однако этого не произошло. И сегодня RISC-архитектура используется либо в специализированных процессорах, либо заложенные в ней принципы применяются на более низких исполнительных уровнях обычных процессоров.

Конвейерная архитектура – этот часто используемый термин обычно относится к возможности параллельной обработки нескольких команд программы. Поскольку в настоящее время в большинстве процессоров (кроме простейших) в той или иной степени используется этот принцип, то можно и не выделять этот признак в качестве самостоятельного.

Векторной и матричной архитектурами чаще всего называют системы, которые ориентированы на выполнение однотипных операций над массивами (векторами, матрицами) данных. Обычно они имеют специализированные процессоры. Решаемые ими задачи относятся к научным расчетам, метеорологическим расчетам. Часто эти архитектуры относят (по другому разделению) к системам с Error: Reference source not found. Следует отметить также, что решение подобных задач может возлагаться и на Error: Reference source not found архитектуры.

ЭВМ (точнее вычислительные системы) с динамической архитектурой, адаптируемой к решаемым задачам, являются предметом исследований в течение последних двух-трех десятилетий. Заметная роль в этих исследованиях принадлежит российским ученым. Основные принципы построения таких архитектур предполагают использование многих однородных или различных процессоров, связи между которыми могут перестраиваться (программироваться).

ЭВМ, управляемые потоками данных, представляют собой попытку обеспечить автоматическое распараллеливание алгоритмов на уровне команд процессора (т.е. на низком уровне). В этих ЭВМ, процессоры которых имеют несколько исполнительных блоков, выполнение команд программы осуществляется не строго в последовательном порядке, предписанном алгоритмом решения, а параллельно настолько, насколько это позволяет структура программы решения задачи. При этом идея порядка выбора команд программы на исполнения очень проста: команда программы может быть вызвана на исполнение тогда, когда: а) для нее готовы все необходимые данные и б) имеется свободный операционный блок, который может выполнить операцию, задаваемую командой.

Этот принцип позволяет максимально распараллелить выполнение команд программы, но для его реализации требуется несколько иная структурная организация ЭВМ: в ней, помимо традиционных устройств: арифметико-логического, управления и оперативной памяти, должны присутствовать другие блоки. Эти блоки должны определять и выбирать из памяти команды, готовые к исполнению, и управлять распределением результатов выполненных команд, которые, собственно, и продвигают ход программы. Последнее и определяет название ЭВМ данного класса – управляемые потоками данных.

В рамках различения архитектур существуют и другие признаки классификации, например, по количеству потоков команд и данных (одна из первых классификаций, предложенная М.Флинном еще в 1966 г.) выделяют ЭВМ:

- с одним потоком команд и одним потоком данных (обычная архитектура) – SISD (Single Instruction – Single Data);

- с одним потоком команд и несколькими потоками данных (векторная и матричная архитектуры, расширение MMX в процессорах Intel) – SIMD (Single Instruction – Multiple Data);

- с несколькими потоками команд и одним потоком данных (иногда так говорят о конвейерных ЭВМ, хотя это принимается не всеми исследователями) – MISD (Multiple Instruction – Single Data);

- с несколькими потоками команд и несколькими потоками данных – MIMD (Multiple Instruction – Multiple Data).

Известны также кластерные системы, представляющие собой объединение однотипных или разнотипных ЭВМ (это могут быть и ПЭВМ, и мощные ЭВМ) посредством стандартных (или специализированных) сетевых средств. Под архитектурой таких систем понимают топологию их соединения.

В качестве структурных особенностей для классификации используют также характер связей (или шин) между блоками ЭВМ, особенности подключения (разделяемая или собственная) оперативной памяти к процессорам и некоторые другие.

5. По физическим принципам, используемым для реализации ЭВМ:

- на электронных элементах;

- оптоэлектронные и оптические;

- криоэлектронные;

- биомолекулярные;

- квантовые.

Подавляющее большинство современных вычислительных систем являются электронными, т.е. их элементы изготовлены на электронных схемах (интегральные схемы на транзисторах). Тем не менее, ведутся работы по исследованию возможностей создания ЭВМ на иных физических и технологических принципах.

Оптоэлектронные и оптические элементы, позволяющие строить на них вычислительные машины, существуют уже не одно десятилетие. В частности, разработаны оптоэлектронные элементы, реализующие функционально полный набор переключательных функций и элементы памяти [Акаев]. Это дает возможность реализовать логические схемы, выполняющие любые необходимые логические функции и строить узлы ВМ. Однако, на практике, широкого использования оптических и оптоэлектронных технологий в создании вычислительных систем не отмечено, за исключением использования оптоволоконных каналов передачи данных.

Криоэлектронные элементы (использующие эффект сверхпроводимости при низких температурах) также являются предметом исследований в течение ряда десятилетий. Для них тоже разработан функционально полный набор логических элементов и элементы памяти. Однако заметного практического использования в вычислительных системах эти технологии пока не нашли. Не было и ожидаемого роста их применения и в связи с работами физиков в области, так называемой, высокотемпературной (до -80° С) сверхпроводимости в конце 1980-х годов.

Работы в области биоэлектроники также вызывают значительный интерес. Однако, несмотря на более, чем тридцатилетнюю историю, только в последнее время стали появляться сообщения об использовании разработок в этой области на практике. Но речи о вычислительных средствах пока не идет. В основном, биоэлектронные компоненты используются в системах идентификации и для частичного замещения утраченных органов.

В квантовых компьютерах для хранения и обработки информации используются различные физические эффекты, связанные с состоянием элементарных частиц и/или атомов. Это позволяет, используя квантовые эффекты, многократно увеличить скорости преобразований и объемы хранимой информации. Идею таких компьютеров относят к началу 1980-х годов. С начала 1990-х годов ведутся исследовательские работы в данной области во многих странах мира. Практическое использование таких компьютеров ожидается в обозримом будущем.

Принцип работы такого компьютера связан с квантовыми свойствами атомов и других частиц. Квантовый компьютер, в частности, может быть основан на спинах электронов и атомных ядер и на странных свойствах квантовых частиц в момент, когда их не наблюдают, иметь спин одновременно разных направлений. Когда спин частицы направлен вверх, атом может быть "считан" как 1, а направление вниз будет соответствовать 0. Это аналогично традиционному транзистору, в котором нули и единицы соответствуют включенному и выключенному состояниям, промежуточных состояний у классического бита не бывает. Но что делает квантовый компьютер уникальным, так это тот факт, что квантовые частицы, даже будучи очень хорошо изолированными друг от друга, могут находиться в запутанном состоянии (entangled state), в котором частицы все-таки зависят друг от друга. В классическом компьютере изменение состояния отдельного бита никак не связано с изменением состояния всех остальных битов, разве что только одного. В квантовом компьютере управление состоянием одной частицы вызывает изменение состояния всех других. Это и приводит к т.н. квантовому параллелизму вычислений. Благодаря этому эффекту квантовый компьютер может иметь феноменальную производительность. Для определенных типов вычислений, подобных сложным алгоритмам для криптографии или поискам в гигантских массивах данных, квантовый компьютер может использовать "в тандеме" сотни атомов. На классическом компьютере это бы соответствовало выполнению миллиардов операций одновременно. [http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1151173&s=]

Помимо рассмотренных признаков классификации ЭВМ, используются и некоторые другие.