21

3. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ

Компьютеры, как и люди, имеют свои поколения. И как у людей, каждое новое поколение отличается от старого (по производительности, емкости, памяти, стоимости, габаритам, размерам и т.д.) примерно в 10 раз. Такой огромный темп развития еще не имела ни одна отрасль промышленности.

Если бы такими темпами развивалось самолетостроение в течение 25 лет, то аэробус ИЛ-86 в настоящее время по цене был бы доступен каждому и совершал бы облет земного шара за 20 мин и тратил бы 20 литров горючего.

Поколения отличаются друг от друга элементной базой, логической архитектурой и программным обеспечением. Однако, не всегда удается определить четкую грань между поколениями.

Впервом поколении элементной базой в нем была электронная лампа, в которой использовался эффект Эдисона. Великий изобретатель сделал это открытие между делом, но не запатентовал его, хотя патентовал все свои изобретения, т.к. не увидел в нем никакой практической ценности. Электронные лампы Эдисона к тому времени широко использовались в радиотехнике, именно к ним обратились создатели компьютерной техники.

ВЭВМ первого поколения оперативная память выполнялась на триггерах, затем на ферритовых сердечниках, быстродействие 5-30 тыс. арифметических операций в секунду. От программиста требовалось хорошее знание архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. Программирование осуществлялось в машинных кодах, позднее на ассемблере и автокоде.

Первые ЭВМ использовались в основном для научных расчетов.

К машинам первого поколения относятся Leo (1951), DEDUCE (1954, Англия); ENIAC (1950), MARK-3, SWAC (1950), IAS, BINAC, UNIVAC (1951), MANIAC, WhirlWind-1, ORVAC, IBM-701 (1952 США); GAVVA-40 (1952, Франция); МЭСМ (1951), БЭСМ (1952), Минск-1, Урал-2, М-20 (СССР).

Машины первого поколения размещались в огромных залах (типа

спортивных). Тысячи электронных ламп быстро нагревали помещение, высокая температура снижала надежность ЭВМ. Отвод тепла стал одной из самых важных проблем организации эффективной работы машины. Поэтому

полупроводниковый элемент или транзистор.

Интересно, что (журнал «Наука и жизнь» №1, 2001 г.) фирмой IBM создан новый суперкомпьютер, который занимает площадь более двух баскетбольных площадок, однако, его производительность не сравнима с производительностью первых ЭВМ – 12 миллиардов операций в секунду. Общая длина проводов, соединяющих его 8 192 процессора – 3 500 километров. И эта машина в 1 000 раз мощнее той, что победила в 1997 году Гарри Каспарова.

Применение транзисторов в вычислительной технике дало начало второму поколению компьютеров. На компьютерах с транзисторами начал действовать закон «10» - улучшение за десять лет всех характеристик

22

компьютера примерно в десять и более раз. Второе поколение начинается с 1955 года, с ЭВМ для межконтинентальной ракеты ATLAS, затем в 1959 году в США была создана ЭВМ RCA-501. Новая технология повысила надежность и производительность машин, уменьшила их габариты и потребляемую мощность. Все это способствовало расширению сферы применения ЭВМ. ЭВМ стали участвовать в управлении технологическим процессами, решать экономические задачи и т.д. Со второго поколения ЭВМ стали делить на малые, средние и большие.

К машинам второго поколения относятся: «Stretch», IBM-7090, LARC (1960), TRADIC (США); Simens-2002 (ФРГ); Senac (Япония); ATLAS (1962, Англия); РАЗДАН (1960), БЭСМ3М, 4М-220, М-222, серия «Мир», «Наири» (малые ЭВМ), Минск, Урал, БЭСМ3М, 4М-220 (средние ЭВМ) Днепр М-4000 (управляющие ЭВМ) (СССР).

Особо следует отметить БЭСМ-6 (1966), имеющую основную и промежуточную память объемами соответственно 128 Кбайт и 512 Кбайт, быстродействие 1 млн. о/с, которая по своим характеристикам может соперничать с машинами 3-го и 4-го поколения, работала она, по крайней мере, до середины 80-х годов XX века.

Кроме новой элементной базы и быстродействия, второе поколение характеризуется новыми архитектурными решениями и развитием технологии программирования. В ЭВМ второго поколения обеспечивается совмещение функциональных операций, они стали работать в режиме разделения времени. Реализовано совмещение центрального процессора по обработке данных и каналов ввода-вывода, а также распараллеливание операций выборки команд и данных из памяти. Созданы развитые макроассемблеры, повышающие уровень общения с ЭВМ. В ассемблерах впервые появляются средства раздельной компиляции и перемещаемости программ, которые явились первым шагом к виртуализации ресурсов и появления специальных промежуточных языков, а также новых системных программ-загрузчиков и компоновщиков.

Конец 50-х годов характеризуется началом этапа автоматизации программирования. В это время появляются языки Commercial Translator, FACT, MathMathic, и программно-ориентированные языки высокого уровня (ЯВУ): Fortran (1955), Algol-60, AKU-400 и др. Стали создаваться библиотеки стандартных программ на различных языках программирования и разного назначения. То есть появляется программное обеспечение (software), и становится ясно, что программный продукт должен стать неотъемлемой частью машины и должен поставляться пользователю вместе с аппаратной частью (hardware).

Но по мере развития вычислительной техники, требующей все более и более компактных решений, полупроводниковые приборы стали тормозить процесс повышения эффективности машин. Компактность машины нужна не только для уменьшения объема, занимаемого ею, но и для повышения производительности ее процессора. Длинные проводники, связывающие полупроводниковые элементы, задерживали процесс распространения сигнала по схеме, и тем самым снижали ее быстродействие. Быстрая схема должна быть

23

микроскопических размеров. Так возникла мысль о микроэлектронном исполнении схем. Решила эту задачу микроэлектронная технология. Именно она породила третье поколение компьютеров.

В этом поколении элементную базу компьютеров образовали так называемые интегральные схемы. Замечательное отличие такой схемы заключается в том, что все ее элементы (транзисторы, резисторы конденсаторы) и соединения между ними создаются на небольшой пластине кристалла (обычно кремния) площадью порядка 1 см2. Технология, использующая процессы травления и напыления, позволяет создавать схемы с чрезвычайно мелкими элементами. Именно поэтому такие схемы и стали называть интегральными микросхемами. Именно эта технология определила дальнейшее развитие вычислительной техники и следующие поколения компьютеров.

К третьему поколению относится серия машин IBM-360 и IBM-370 (выпускались с 1964 года). Последняя относится уже к 3,5 поколению. В Англии фирмой ICL было выпущено семейств машин «System 4», в ФРГ машины серии 004 разработанные фирмой Siemens, в Японии фирмой HITACHI машины серии «Hytac-8000». Проблемам создания машин третьего поколения стали уделять большое внимание Голландия, Болгария, Венгрия, Чехословакия, Польша, Куба. Страны СЭВ выпускали совместно с Советским Союзом машины серии «Ряд-1» и «Ряд-2» это ЕС-1010, ЕС-1020,...1065 (выпускались с 1972 года) и машины серии СМ. В рамках программы «Ряд-2» были созданы две операционные системы ДОС-3 и ОС-6.0.

ЭВМ третьего поколения, как правило, программно-совместимы снизу вверх, их частью становятся операционные системы, которые стали брать на себя задачи управления памятью, устройствами ввода-вывода и другими ресурсами. Появились системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизирования проектных работ (САПР), совершенствуются АСУ и АСУТП. Создаются пакеты прикладных программ (ППП) различного назначения. Появляются новые и совершенствуются существующие языки программирования, их количество достигло уже 3000.

Дальнейшее совершенствование технологии позволило создать сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), содержащие 100000 транзисторов и более. Именно СБИС стали основой элементарной базы компьютеров четвертого поколения. Процессор, реализованный на одной СБИС, получил название микропроцессора.

Парк всех машин четвертого поколения можно условно разделить на пять основных классов: микро-ЭВМ, персональные компьютеры, специальные ЭВМ, ЭВМ общего назначения и супер-ЭВМ. Но из этого многообразия, лишь ПК и супер-ЭВМ определяют лицо четвертого поколения.

ЭВМ четвертого поколения можно характеризовать тремя основными показателями: элементной базой (СБИС), персональным характером использования (ПК) и нетрадиционной архитектурой (супер-ЭВМ).

Элементная база способствовала миниатюризации ВТ, повышению ее надежности, позволила создавать мини- и микро-ЭВМ по своим возможностям превосходящие большие ЭВМ предыдущего поколения.

24

Основой для создания ПК стало создание универсального процессора на одном кристалле. Первый микропроцессор Intel 4004 был создан в 1971 году и содержал 2250 элементов, а в 1974 году был создан микропроцессор Intel 8080, содержащий уже 4500 элементов и послужил основой для создания первого ПК - Altair-8800. Этот компьютер рассылался по почте, стоил 397 долларов и имел возможности для расширения периферийными устройствами. Для Altair-8800

П.Аллен и У. Гейтс создали транслятор с языка Basic.

В1979 году выпускается 16-битный микропроцессор Motorola-68000 с 70000 элементами, в 1981 году - 32-битный Hewley Packard с 450 тысячами элементами.

Начала формироваться ПК-индустрия. Приступили к производству компьютеров фирмы Apple Computers, Tandy Radio Shark, Commodore. В 1981 году фирма IBM начинает выпуск PC/XT/AT и PS/2. Лавинообразно растет программное обеспечение ПК. Для того чтобы сориентироваться в мире ПК для пользователей и программистов начинают выходить популярные журналы и газеты, устраиваться выставки, задействована реклама.

Несмотря на то, что персональные компьютеры мы видим везде, производство компьютеров не ограничивается только ими. Для решения научных задач, задач повышенной сложности, для управления сложными объектами необходимы ЭВМ, возможности которых гораздо больше, чем даже самые мощные ПК, это - супер-ЭВМ. Для супер-ЭВМ характерна высокая производительность (не менее 2х107 о/с) и нетрадиционная архитектура.

Первой супер-ЭВМ можно считать Amdahl 470V16 (1975) и совместимую с IBMсерией. В настоящее время к классу супер-ЭВМ относят модели, имеющие среднее быстродействие 20 мегафлопсов (1 мегафлопс = 1 млн. операций с плавающей точкой в секунду). Первой моделью такой производительности является ILLIAC-IV (1975, США), затем появилась Crayсерия (с 1976 года) - быстродействие 130 мегафлопсов, Cyber 205 (400 мегафлопсов), RP-3, FACOM VP-200, SK-2.

ВСоветском Союзе была предпринята попытка создания отечественной супер-ЭВМ серии «Эльбрус», а также ЕС 1191, ЕС 1766, которая по известным причинам, не увенчалась успехом.

Компьютер «Эльбрус-1» был построен в 1978 году на 15 лет раньше западных машин и воплотил принципы суперскалярной архитектуры. «Эльбрус-2» имел идентичную архитектуру, но более совершенную элементную базу.

В1986 году началась разработка «Эльбруса-3», основанная на совершенно новых архитектурных идеях. В «Эльбрусе-3» впервые в мире были реализованы явный параллеризм на уровне операций и широкое командное слово – принципы, которые составляют основы современной технологии EPIC (explicitly parallel instruction computing).

Следует отметить, что идеи, заложенные в архитектуру, были настолько революционными, что с 1992 года между фирмой Sun и группой специалистовразработчиков «Эльбрусов» (Московский «Центр SPARC-технологий» (МЦСТ)) заключен контракт, предполагающий реализацию идей заложенных в

25

«Эльбрусе-3» на западных технологиях. А в 2000 году компанией МЦСT был создан процессор «Эльбрус-2000» (E2r) в котором воплощены идеи «Эльбруса- 3» в доработанном и усовершенствованном виде. На основе этих идей созданы также процессоры Crusoe компанией Transmeta и IA-64 фирмами Intel и HP.

В1999 году усилиями российских НИИ («Квант», института прикладной математики РАН) и промышленных предприятий создан 96-процессорнный супер-компьютер МВС-1000 производительностью 1 млрд. о/с с телекоммуникационным доступом в том числе и по Internet.

Врамках четвертого поколения происходит дальнейшая интеллектуализация ВТ, определяемая созданием более развитых интерфейсов “человек-ЭВМ”, баз знаний, экспертных систем, систем параллельного программирования и др. Проявляется тенденция создания ЭВМ под программное обеспечение, а не наоборот. Возрастает доля функций ОС, повышается уровень машинного языка. За счет повышения качества каналов связи развивается телекоммуникационная обработка информации (создание глобальных компьютерных сетей).

ПК четвертого поколения по своим возможностям уже превосходят многие мощные ЭВМ четвертого поколения. Никого уже не удивляет, что память современных ПК превышает уже сотни мегабайт, а память жесткого магнитного диска имеет размерность в гигабайтах и даже в терабайтах. Современный компьютер оснащен не только дисководами для гибких дисков, но и устройством для считывания информации с компакт-дисков.

Внастоящее время компьютеры стали обычным орудием труда человека, их можно встретить в научных и учебных учреждениях, в больницах, аэропортах, офисах и даже в квартирах. Однако использовать компьютер в своей деятельности может только подготовленный человек, знающий язык компьютера, умеющий подавать ему на этом языке команды. Поэтому возникла проблема создания компьютера, понимающего естественный человеческий язык (текст или речь). Таким компьютером будет компьютер пятого поколения.

В1981 году японский Комитет научных исследований опубликовал свой отчет, в котором был представлен план информатизации, направленный на содействие решения проблем японского общества. Этот план, ввиду первенства Японии во многих современных отраслях науки и техники, в том числе и компьютерной информатики, стал в своем роде руководством к действию и для других стран, создающих компьютерную технику. Этот проект обозначил основные требования, которым должны будут удовлетворять компьютеры пятого поколения, а именно:

Обеспечивать простоту применения ЭВМ путем реализации эффективных систем ввода/вывода информации голосом и изображениями; диалоговой обработки информации с использованием естественных языков; возможности обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов (интеллектуализация ЭВМ);

Упростить процесс создания программных средств автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных

26

языках; усовершенствовать вспомогательные инструментальные средства и интерфейс разработчиков с вычислительными средствами;

Улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества ВТ для удовлетворения различных социальных задач; улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости и компактности ЭВМ; обеспечить их разнообразие, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.

Эти задачи очень трудны для исполнения, но работы в этом направлении уже ведутся. Кроме того, разработчики ЭВМ пятого поколения пытаются решить задачи: устройства перевода с одного языка на другой посредством голоса; информационно-вычислительной сети на 10000 автоматизированных рабочих мест, процессоров баз данных и знаний; компьютерных систем распознавания образов и искусственного зрения, интеллектуальных роботов и др. Особое внимание уделяется обеспечению надежности ВТ, включая самотестирование и использование элементов искусственного интеллекта для диагностики сбоев.