4. Разновидности архитектур компьютеров.

По способам преобразования информации средства вычислительной техники принято разделять на три основных класса: аналоговые, цифровые и гибридные вычислительные машины (системы).

В современной вычислительной технике носителями информации являются электрические сигналы, допускающие две формы модуляции носителя – аналоговую и дискретную. При аналоговой модуляции информации, величины информационных сигналов могут принимать любые допустимые значения из заданного диапазона, плавно без разрывов переходя от одного уровня к другому. При дискретном представлении информации сигналы имеют дискретный (числовой) характер закодированной последовательности отсчетов и могут изменяться в диапазонах, ограниченных лишь числом знаков в их кодировке. При этом , информация различных типов кодируется единообразно.

Аналоговые вычислительные машины (АВМ) высоко производительны в первую очередь, при моделировании решений систем дифференциальных уравнений: в управлении непрерывными процессами; моделировании гидро- и аэродинамических задач; исследовании динамики сложных объектов, электромагнитных полей и т. д., то есть могут решать подобные задачи во много раз быстрее, чем дискретные ЭВМ. Однако АВМ принципиально не могут решать задач, связанных с хранением и обработкой больших объемов информации различного характера (типов) и задач с высокой степенью точности представления данных, с которыми легко справляются цифровые вычислительные машины (ЦВМ), использующие дискретную форму представления информации.

Преимущества вышеперечисленных типов машин совмещает гибридная вычислительная машина (ГВМ), включающая как аналоговые, так и дискретные устройства обработки информации. Однако, включение в состав цифровой вычислительной машины аналоговых устройств не универсально, т.к. во-первых, аналоговые системы не программно управляемы, как цифровые, и в своей структуре воспроизводят модель заданной конкретной специальной системы или устройства (например, станков, манипуляторов, следящих систем и т.д.); во-вторых, требуются аналогово-цифровые устройства (АЦП и ЦАП) для сопряжения аналоговых и дискретных частей, что усложняет машину и оправдывает такой гибрид лишь при целесообразности цифрового управления сложными аналоговыми процессами.

Универсальными для широкого спектра применений в настоящее время являются цифровые вычислительные машины (ЦВМ) называемые компьютерами. В зависимости от устройства, функционального назначения, используемой операционной системы и пр. в настоящее время объективно сложилась следующая классификация компьютеров в порядке роста их функциональности: персональные компьютеры, рабочие станции, серверы, мейнфреймы, кластерные архитектуры, суперкомпьютеры.

1. Персональные компьютеры

Персональные компьютеры (ПК) появились в результате эволюции мини-компьютеров при переходе от элементной базы машин с малой и средней степенью интеграции электронных элементов (ИС, БИС) на большие и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).

ПК справляются с решением широчайшего класса прикладных задач в различных областях человеческой деятельности поддерживая аппаратно создание и применение соответствующего программного обеспечения и информационных технологий. Благодаря относительно низкой стоимости, ПК очень быстро завоевали лидирующие позиции на компьютерном рынке и создали предпосылки для разработки все новых программных средств, ориентированных на конечного пользователя. Прежде всего - это «дружественные пользовательские интерфейсы», а также мощные инструментальные средства и графические проблемно-ориентированные среды для автоматизации разработки прикладных информационных технологий.

2. Рабочие станции

Создание RISC-процессоров и микросхем памяти емкостью от 8 до 265 Мб привело к окончательному оформлению настольных 32- разрядных, а затем и 64-разрядных систем высокой производительности в рабочие станции. Первоначальная ориентация рабочих станций на профессиональных пользователей (в отличие от ПК, которые в начале ориентировались на широкого потребителя) привела к тому, что рабочие станции - это специализированные компьютерные системы. В них высокое быстродействие АЛУ сочетается с большим объемом оперативной и внешней памяти, высокопроизводительными внутренними магистралями, особо высококачественной и быстродействующей графической подсистемой и разнообразными специальными устройствами ввода/вывода. Это свойство отличает рабочие станции среднего и высокого класса от ПК общего назначения.

3. Серверы

Создание компьютерных сетей и повсеместное широкое использование сетевых компьютерных технологий привело к необходимости создания специализированных компьютеров – серверов. Они предназначены для управления работой компьютерной сети, хранения и предоставления пользователю вычислительных и общих файловых ресурсов, а также периферийных устройств. То есть, сервер обладает увеличенными техническими характеристиками (памятью, быстродействием, мультипрограммным многопользовательским режимом обслуживания рядовых пользователей - клиентов).

В распределенной модели «клиент-сервер» большую часть работы выполняет сервер, а меньшую часть - пользовательский компьютер. Существует несколько типов серверов, ориентированных на разные применения: файл-сервер, сервер базы данных, принт-сервер, вычислительный сервер, сервер приложений. Таким образом, тип сервера определяется видом ресурса, которым он владеет (файловая система, база данных, принтеры, процессоры или прикладные пакеты программ).

4. Мейнфреймы

Мейнфрейм - это синоним понятия «большая универсальная ЭВМ». Мейнфреймы и до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они могут включать один или несколько процессоров, каждый из которых, в свою очередь, может оснащаться векторными сопроцессорами (ускорителями операций с суперкомпьютерной производительностью). Например, : IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000.

В плане архитектуры мейнфреймы представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.

5. Кластерные архитектуры

Термин «кластеризация» на сегодня в компьютерной промышленности имеет много различных значений. Строгое определение могло бы звучать так: «объединение машин, представляющихся единым целым для операционной системы, системного программного обеспечения, прикладных программ и пользователей». Кластером называется объединение двух и более серверов, работающее как один сервер для повышения производительности и надежности. Машины, объединенные вместе таким способом, могут при отказе одного процессора очень быстро перераспределить работу на другие процессоры внутри кластера. Это, возможно, наиболее важная задача для многих поставщиков систем высокой надежности и безотказности.

6. Суперкомпьютеры

В середине 2000 г. компания IBM создала один из самых мощных в мире суперкомпьютеров, работающий на скорости 12.3 teraflops (триллионов операций в секунду).

Суперкомпьютер RS/6000 SP занимает площадь размером с баскетбольное поле и для доставки монстра с завода Поугкипси компании IBM в штате Нью-Йорк потребовалось 28 трейлеров. Ориентировочная стоимость RS/6000 SP составляет 110 млн. долларов. С помощью нового суперкомпьютера можно с успехом моделировать многие ядерные процессы, что позволит отказаться от испытания атомного оружия. Хотя считают, что для того, чтобы адекватно моделировать испытания атомного оружия, необходим еще более мощный суперкомпьютер с производительностью 100 teraflops.

RS/6000 SP построен на базе 8192 процессоров, имеет оперативную память размером 6 TB (триллионов байт) и дисковое пространство 160 TB. Для сравнения: RS/6000 SP в 1000 раз мощнее своего знаменитого предшественника «Deep Blue», которому удалось выиграть шахматный матч у чемпиона мира Гарри Каспарова в 1997 г. В рамках проекта ASCI White планируется разработать суперкомпьютеры мощностью 1, 3, 10, 30 и 100 teraflops.

В России в конце 1999 года группа компаний “Эльбрус” заявили о разработке нового супермикропроцессора E2K, в котором была применена новая методика двоичной компиляции. Этот микропроцессор превосходил по производительности лучшие разработки компаний Intel и AMD того времени. Супермикропроцессор E2K входит в состав суперкомпьютера, предназначенного для использования в ЭВМ по заказу Министерства обороны.