Содержание
Появлению современных компьютеров, которыми мы привыкли пользоваться, предшествовала целая эволюция в развитии вычислительной техники. Согласно распространенной теории, развитие индустрии ЭВМ шло на протяжении нескольких отдельных поколений.
Современные эксперты склонны считать, что их шесть. Пять из них уже состоялись, еще одно — на подходе. Что именно под термином "поколение ЭВМ" понимают IT-специалисты? Каковы принципиальные различия между отдельными периодами развития вычислительной техники?
Предыстория появления ЭВМ
История развития ЭВМ 5 поколений интересна и увлекательна. Но прежде чем изучить ее, полезно будет узнать факты, касающиеся того, какие технологические решения предшествовали разработке ЭВМ.
Люди всегда стремились к совершенствованию процедур, связанных с подсчетами, вычислениями. Историками установлено, что инструменты для работы с цифрами, имеющие механическую природу, были изобретены еще в Древнем Египте и других государствах античности. В средние века европейские изобретатели могли конструировать механизмы, с помощью которых, в частности, могла вычисляться периодичность лунных приливов.
Прообразом современных ЭВМ некоторые эксперты считают изобретенную в начале 19 века машину Бэббиджа, обладавшую функциями программирования вычислений. В конце 19-начале 20 века появились устройства, в которых стала использоваться электроника. В основном они задействовались в индустрии телефонной и радиосвязи.
В 1915 году переехавший в США немецкий эмигрант Герман Холлерит основал компанию IBM, впоследствии ставшую одним из самых узнаваемых брендов IT-индустрии. В числе самых сенсационных изобретений Германа Холлерита стали перфокарты, в течение десятилетий выполнявшие функцию основного носителя информации при пользовании вычислительной техникой. К концу 30-х годов появились технологии, позволившие говорить о начале компьютерной эпохи в развитии человеческой цивилизации. Появились первые ЭВМ, который впоследствии стали классифицироваться как принадлежащие к "первому поколению".
Признаки ЭВМ
Ключевым принципиальным критерием отнесения вычислительного устройства к категории ЭВМ, или компьютера, эксперты называют программируемость. Этим соответствующего типа машины, в частности, отличаются от калькуляторов, какими бы мощными последние ни являлись. Даже если речь идет о программировании на очень низком уровне, когда используются "нули и единицы" — критерий в силе. Соответственно, как только были изобретены машины, быть может, по внешним признакам сильно схожие с калькуляторами, но которые можно было программировать — их стали именовать компьютерами.
Под термином "поколение ЭВМ" понимают, как правило, принадлежность компьютера к конкретной технологической формации. То есть, той базе аппаратных решений, на основе которой ЭВМ работает. При этом, исходя из критериев, предлагаемых IT-экспертами, деление компьютеров на поколения далеко не условное (хотя, конечно, есть и переходные формы компьютеров, которые сложно однозначно отнести к какой-либо конкретной категории).
Завершив теоретический экскурс, мы можем начать изучать поколения ЭВМ. Таблица, что ниже, поможет нам ориентироваться в периодизации каждого.
Вторая половина 70 — начало 90-х
90-е — наше время
Далее мы рассмотрим технологические особенности компьютеров для каждой категории. Нами будет определена характеристика поколений ЭВМ. Таблица, что мы сейчас составили, будет дополнена другими, в которых будут соотнесены соответствующие категории и технологические параметры.
Отметим важный нюанс — нижеследующие рассуждения касаются, главным образом, эволюции компьютеров, которые сегодня принято относить к персональным. Есть совершенно иные классы ЭВМ — военные, промышленные. Есть так называемые "суперкомпьютеры". Их появление и развитие — отдельная тема.
Первые ЭВМ
В 1938 году германский инженер Конрад Цузе конструирует устройство, названное Z1, а в 42-м выпускает его усовершенствованную версию — Z2. В 1943 году свою вычислительную машину изобретают англичане и называют ее "Колосс". Некоторые эксперты склонны считать английскую и немецкие машины первыми ЭВМ. В 1944-м на базе разведданных из Германии вычислительную машину создают также и американцы. Разработанная в США ЭВМ получила название "Марк I".
В 1946 году американские инженеры делают небольшую революцию в области конструирования вычислительной техники, создав ламповый компьютер ЭНИАК, в 1000 раз более производительный, чем "Марк I". Следующей известной американской разработкой стала созданная в 1951 году ЭВМ, названная УНИАК. Ее основная особенность в том, что она первой из ЭВМ стала использоваться как коммерческий продукт.
К тому моменту, к слову, свой компьютер уже успели изобрести советские инженеры, работающие в Академии наук Украины. Наша разработка получила название МЭСМ. Ее производительность, по оценке экспертов, была самой высокой среди ЭВМ, собранных в Европе.
Технологические особенности первого поколения ЭВМ
Собственно, исходя из каких критерий определяется первое поколение развития ЭВМ? Таковым IT-специалисты считают, прежде всего, компонентную базу в виде вакуумных ламп. Машины первого поколения к тому же обладали рядом характерных внешних признаков — огромный размер, очень большое энергопотребление.
Вычислительная их мощность также была относительно скромна, она составляла несколько тысяч герц. Вместе с тем ЭВМ первого поколения содержали многое, что есть в современных компьютерах. В частности, это машинный код, позволяющий программировать команды, а также запись данных в память (с помощью перфокарт и электростатических трубок).
ЭВМ первого поколения требовали высочайшей квалификации человека, их использующего. Требовалось не только владение профильными навыками (выражающимися в работе с перфокартами, знании машинного кода и т.д.), но, как правило, также и инженерные знания в области электроники.
В ЭВМ первого поколения, как мы уже сказали, уже была оперативная память. Правда, ее объем был исключительно скромным, он выражался в сотнях, в лучшем случае — в тысячах байт. Первые модули ОЗУ для ЭВМ с трудом можно было классифицировать как электронный компонент. Они представляли собой наполненные ртутью емкости в виде трубок. Кристаллы памяти фиксировались на определенных их участках, и тем самым данные сохранялись. Однако достаточно скоро после изобретения первых ЭВМ появилась более совершенная память на базе ферритовых сердечников.
Второе поколение ЭВМ
Какова дальнейшая история развития ЭВМ? Поколения ЭВМ стали развиваться далее. В 60-х годах получают распространение компьютеры, использующие уже не только вакуумные лампы, но также и полупроводники. Значительно повысилась тактовая частота микросхем — обычным делом считался показатель в 100 тыс. герц и выше. Появились первые магнитные диски как альтернатива перфокартам. В 1964 году компания IBM выпустила уникальный продукт — отдельный компьютерный монитор с достаточно приличными характеристиками — 12-дюймовой диагональю, разрешением 1024 на 1024 точек, а также частотой развертки в 40 Гц.
Поколение номер три
Чем примечательно третье поколение ЭВМ? Прежде всего, переводом компьютеров с ламп и полупроводников на интегральные схемы, которые, не считая ЭВМ, стали использоваться во множестве других электронных устройств.
Впервые возможности интегральных схем были показаны миру стараниями инженера Джека Килби и компании Texas Instruments в 1959 году. Джек создал небольшую конструкцию, выполненную на пластинке из металла германия, которая, как предполагалось, заменит собой сложные полупроводниковые конструкции. В свою очередь, компания Texas Instruments создала компьютер, собранный на базе подобных пластинок. Самое примечательное, что он был в 150 раз меньше, чем аналогичной производительности полупроводниковая ЭВМ. Технология интегральных схем получила дальнейшее развитие. Большую роль в этом сыграли исследования Роберта Нойса.
Эти аппаратные компоненты позволили, прежде всего, значительно уменьшить габариты ЭВМ. В результате произошло существенное повышение производительности компьютеров. Третье поколение ЭВМ характеризовалось выпуском ЭВМ с тактовой частотой, выражаемой уже в мегагерцах. Уменьшилось также и энергопотребление компьютеров.
Стали более совершенными технологии записи данных и обработки их в модулях ОЗУ. Что касается оперативной памяти, ферритовые элементы стали более емкими, технологически совершенными. Появились сначала прототипы, а затем и первые версии дискет, используемые как внешний носитель данных. В архитектуре ПК появилась кэш-память.Стандартной средой взаимодействия пользователя и компьютера стало окно дисплея.
Происходило дальнейшее совершенствование программных компонентов. Появились полноценные операционные системы, стало разрабатываться самое разнообразное прикладное ПО, были внедрены концепции многозадачности в работу ЭВМ. В рамках ЭВМ третьего поколения появляются такие программы, как системы управления базами данных, а также ПО для автоматизации проектных работ. Появляется все больше языков программирования и сред, в рамках которых осуществляется создание ПО.
Особенности четвертого поколения
Четвертое поколение ЭВМ характеризуется появлением интегральных схем, относящихся к классу больших, а также так называемых сверхбольших. В архитектуре ПК появилась ведущая микросхема — процессор. ЭВМ по своей конфигурации стали ближе к рядовым гражданам. Пользование ими стало возможным при минимальной квалификационной подготовке, в то время как работа с ЭВМ предыдущих поколений требовала профессиональных навыков. Модули ОЗУ стали выпускаться не на основе ферритовых элементов, а на базе CMOS-микросхем. К четвертому поколению ЭВМ принято относить и первый компьютер Apple, собранный в 1976 году Стивом Джобсом и Стефаном Возняком. Многие IT-эксперты считают, что Apple — первый в мире персональный компьютер.
Четвертое поколение ЭВМ также совпало с началом популяризации Интернета. В этот же период появился самый известный сегодня бренд софт-индустрии — Microsoft. Возникли первые версии операционных систем, которые мы знаем сегодня — Windows, MacOS. Компьютеры стали активно распространяться по всему миру.
Пятое поколение
Период расцвета четвертого поколения компьютеров — середина-конец 80-х годов. Но уже в начале 90-х на рынке IT-технологий начали происходить процессы, позволившие начать отсчет новому поколению ЭВМ. Речь идет о значительных шагах вперед, прежде всего, в инженерно-технических наработках, связанных с процессорами. Появились микросхемы с архитектурой, относимой к типу параллельно-векторной.
Пятое поколение ЭВМ — это невероятные темпы роста производительности машин из года в год. Если в начале 90-х тактовая частота микропроцессоров в несколько десятков мегагерц считалась хорошим показателем, то к началу 2000-х никто не удивлялся гигагерцам. Компьютеры, которыми мы пользуемся сейчас, как полагают IT-эксперты, — это также пятое поколение ЭВМ. То есть, технологический задел начала 90-х актуален до сих пор.
ПК, относящиеся к пятому поколению, стали не просто вычислительными машинами, а полноценными мультимедийными инструментами. На них стало возможно монтировать фильмы, работать с изображениями, записывать и обрабатывать звук, создавать инженерные проекты, запускать реалистичные 3D-игры.
Характеристики шестого поколения
В обозримом будущем, считают аналитики, мы вправе ожидать, что появится 6 поколение ЭВМ. Оно будет характеризоваться использованием нейронных элементов в архитектуре микросхем, использованием процессоров в рамках распределенной сети.
Производительность компьютеров в следующем поколении будет измеряться, вероятно, уже не в гигагерцах, а в принципиально иного типа единицах исчисления.
Сравнение характеристик
Мы изучили поколения ЭВМ. Таблица ниже позволит нам ориентироваться в соотнесении компьютеров, принадлежащих к той или иной категории, и технологической базы, на которой основано их функционирование. Зависимости следующие:
ЭВМ (электронно-вычислительная машина) — это комплекс технических и программных средств, предназначенные для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.
Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ.
К основным характеристикам ЭВМ относятся:
Быстродействие — это число команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду.
Сравнение по быстродействию различных типов ЭВМ, не обеспечивает достоверных оценок. Очень часто вместо характеристики быстродействия используют связанную с ней характеристику производительность.
Производительность — это объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени.
Применяются также относительные характеристики производительности. Фирма Intel для оценки процессоров предложила тест, получивший название индекс iCOMP (Intel ComparativeMicroprocessor Performance). При его определении учитываются четыре главных аспекта производительности: работа с целыми числами, с плавающей запятой, графикой и видео. Данные имеют 16- и 32-разрядной представление. Каждый из восьми параметров при вычислении участвует со своим весовым коэффициентом, определяемым по усредненному соотношению между этими операциями в реальных задачах.
Емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находится в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.
Наименьшей структурной единицей информации является бит — одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения следующими единицами измерения служат 1 Гбайт = 1024 Мбайта, 1 Мбайт = 1024 Кбайта, 1 Кбайт = 1024 Байта, 1 Байт = 8 бит.
Емкость оперативной памяти (ОЗУ) и емкость внешней памяти (ВЗУ) характеризуются отдельно. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.
Надежность — это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов) 2382/14-78).
Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Применеие сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) резко сокращают число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранение неисправностей.
Точность — это возможность различать почти равные значения (стандарт ISO — 2382/2-76).
Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными единицами представления информации (байтом, словом, двойным словом).
Достоверность — это свойство информации быть правильно воспринятой.
Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратурно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.
Структура — это совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств.
Архитектура ЭВМ — это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.
Обобщенная структура ЭВМ
Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры — схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач.
Структуру ЭВМ определяет следующая группа характеристик:
· технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации т.д.);
· характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;
· состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).
В течение всего периода эволюции компьютерных систем прослеживается тенденция к повышению скорости обработки информации процессором, уменьшение физических размеров компонентов, росту объема памяти и повышению пропускной способности каналов ввода-вывода.
Не отрицая того факта, что одной из причин повышения производительности процессоров явился прогресс в области микроэлектроники, в частности миниатюризация электронных компонентов, все же отметим, что не меньшее, если не большее, влияние на этот процесс, особенно в последние годы, оказали новые идеи в отношении структурной организации процессора, в частности широкое использование принципов конвейерной и параллельной обработки и внедрение технологии предпочтительного выбора направления ветвления программы, т.е. выполнение условных переходов на основании прогнозных оценок еще до формирования условий перехода. Все эти идеи преследуют одну цель – максимально сократить время простоя процессора.
Важнейшей проблемой, с которой сталкивается любой конструктор компьютерных систем, является достижение баланса характеристик производительности отдельных компонентов системы, т.е. такой подбор компонентов, при котором ни один компонент не простаивает, дожидаясь, пока за ним «поспеют» другие. В частности, производительность процессора растет быстрее, чем быстродействие оперативной памяти. Конструктор имеет в своем арсенале множество методов, позволяющих свести на нет отрицательный эффект такого несоответствия, включая использование промежуточной кэш-памяти, расширение пропускной способности магистрали между процессором и памятью, применение элементов памяти с более сложной логической организацией.
Изложение материала начнем с краткого экскурса в историю развития вычислительной техники. Помимо познавательного интереса имеется еще и практический интерес к истории. Мы попытаемся, рассматривая процесс эволюции компьютерных систем, проследить за тем, как по мере совершенствования элементной базы менялись взгляды на структурную организацию и архитектуру ЭВМ.
Первые ЭВМ появились немногим более 50 лет назад. В соответствии с элементной базой и уровнем развития программных средств выделяют четыре поколения ЭВМ, краткая характеристика которых приведена в таблице:
Элементная база (для УУ, АЛУ)
Электронные (или электрические) лампы
Большие интегральные схемы (БИС)
Основной тип ЭВМ
Основные устройства ввода
Пульт, перфокарточный, перфоленточный ввод
Добавился алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура
Алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура
Цветной графический дисплей, сканер, клавиатура
Основные устройства вывода
Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод
Магнитные ленты, барабаны, перфоленты, перфокарты
Добавился магнитный диск
Перфоленты, магнитный диск
Магнитные и оптические диски
Ключевые решения в ПО
Универсальные языки программирования, трансляторы
Пакетные операционные системы, оптимизирующие трансляторы
Интерактивные операционные системы, структурированные языки программирования
Дружественность ПО, сетевые операционные системы
Режим работы ЭВМ
Персональная работа и сетевая обработка данных
Цель использования ЭВМ
Технические и экономические расчеты
Управление и экономические расчеты
Телекоммуникации, информационное обслуживание
ЭВМ 1-го поколения
ЭВМ первого поколения обладали небольшим быстродействием в несколько десятков тыс. оп./сек. Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение.
Языков программирования как таковых еще не было, и для кодирования своих алгоритмов программисты использовали машинные команды или ассемблеры. Это усложняло и затягивало процесс программирования. К концу 50-х годов средства программирования претерпевают принципиальные изменения: осуществляется переход к автоматизации программирования с помощью универсальных языков и библиотек стандартных программ.
ЭВМ 2-го поколения
Второе поколение ЭВМ – это переход к транзисторной элементной базе, появление первых мини-ЭВМ. Один транзистор уже способен трудиться за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Увеличился объем памяти, а магнитную ленту начали использовать как для ввода, так и для вывода информации. В середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках.
Получает дальнейшее развитие принцип автономии – он реализуется уже на уровне отдельных устройств, что выражается в их модульной структуре. Устройства ввода-вывода снабжаются собственными устройствами управления (УУ) (называемыми контроллерами), что позволило освободить центральное УУ от управления операциями ввода-вывода. В ЭВМ 2-го поколения добавился алфавитно-цифровой дисплей, появилась клавиатура.
Принципиальным изменением в структуре ЭВМ стало добавление аппаратного блока обработки чисел в формате с плавающей запятой.
Начинается разработка программного обеспечения на базе библиотек стандартных программ, обладающих свойством переносимости, т.е. функционирования на ЭВМ разных марок. Наиболее часто используемые программные средства выделяются в пакеты прикладных программ для решения задач определенного класса. Создаются специальные программные средства — системное программное обеспечение, изначально предназначенное для ускорения и упрощения перехода процессором от одной задачи к другой.
ЭВМ 3-го поколения
В 70-х годах возникают и развиваются ЭВМ третьего поколения. Данный этап — переход к интегральной элементной базе. Одна интегральная схема способна заменить тысячи транзисторов. В результате быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.
ЭВМ этого поколения создавались на основе принципа унификации, что позволило использовать вычислительные комплексы в различных сферах деятельности.
Расширение функциональных возможностей ЭВМ увеличило сферу их применения, что вызвало рост объема обрабатываемой информации и поставило задачу хранения данных в специальных базах данных и их ведения. Так появились первые системы управления базами данных – СУБД.
Изменились формы использования ЭВМ: введение удаленных терминалов (дисплеев) позволило широко и эффективно внедрить режим разделения времени и за счет этого приблизить ЭВМ к пользователю и расширить круг решаемых задач.
Обеспечить режим разделения времени позволил новый вид операционных систем, поддерживающих многозадачность — способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим).
В развитии отечественной вычислительной техники особое место занимает машина БЭСМ-6. Машина вступила в строй в 1967 г. Ее быстродействие — около 1 млн. операций/сек. Здесь впервые в отечественной практике и независимо от зарубежных разработок был применен принцип конвейерного выполнения команд. На БЭСМ-6
ЭВМ 4-го поколения
В конце 70-х годов развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном кристалле тысячи интегральных схем. Так появились большие интегральные схемы и 4-е поколение ЭВМ, для которого характерны создание серий недорогих микро-ЭВМ, разработка супер-ЭВМ для высокопроизводительных вычислений.
Наиболее значительным стало появление персональных ЭВМ, что позволило приблизить ЭВМ к своему конечному пользователю. Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки "дружественного" программного обеспечения. Возникают операционные системы, поддерживающие графический интерфейс, интеллектуальные пакеты прикладных программ. В связи с возросшим спросом на ПО совершенствуются технологии его разработки – появляются развитые системы программирования, инструментальные среды пользователя.
В середине 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных ОС.
ЭВМ пятого поколения
Они будут основаны на принципиально новой элементной базе. Основным их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень, в частности, распознавание речи, образов. Это требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта.
Таким образом, для компьютерной грамотности необходимо понимать, что на данный момент создано четыре поколения ЭВМ:
- 1-ое поколение: 1946 г. создание машины ЭНИАК на электронных лампах.
- 2-ое поколение: 60-е годы. ЭВМ построены на транзисторах.
- 3-ье поколение: 70-е годы. ЭВМ построены на интегральных микросхемах (ИС).
- 4-ое поколение: Начало создаваться с 1971 г. с изобретением микропроцессора (МП). Построены на основе больших интегральных схем (БИС) и сверх БИС (СБИС).
Пятое поколение ЭВМ строится по принципу человеческого мозга, управляется голосом. Соответственно, предполагается применение принципиально новых технологий. Огромные усилия были предприняты Японией в разработке компьютера 5-го поколения с искусственным интеллектом, но успеха они пока не добились.
Фирма IBM тоже не намерена сдавать свои позиции мирового лидера, например, Японии. Мировая гонка за создание компьютера пятого поколения началась еще в 1981 году. С тех пор еще никто не достиг финиша. Поживем – увидим.
В соответствии с Законом Мура основные характеристики компьютеров улучшаются приблизительно в 2 раза каждые 2 года. В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быстро устаревает и нуждается в корректировке. Например, в классификациях десятилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микроЭВМ, которые почти исчезли из обихода.
Существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ:
1. Применение ЭВМ для автоматизации вычислений. Научно-техническая революция во всех областях науки и техники постоянно выдвигает новые научные, инженерные, экономические задачи, которые требуют проведения крупномасштабных вычислений (задачи проектирования новых образцов техники, моделирования сложных процессов, атомная и космическая техника и др.). Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и их приложений. Первые, а затем и последующие вычислительные машины классической структуры в первую очередь и создавались для автоматизации вычислений.
Одновременно со структурными изменениями ЭВМ происходило и качественное изменение характера вычислений. Доля чисто математических расчетов постоянно сокращалась, и в настоящее время она составляет около 10% от всех вычислительных работ. Машины все больше стали использоваться для новых видов обработки: текстов, графики, звука и др.
2. Применение ЭВМ в системах управления. Это направление родилось примерно в 60-е годы, когда ЭВМ стали интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Новое применение вычислительных машин потребовало видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов обработки. Сопряжение с каналами связи потребовало усложнения режимов работы ЭВМ, сделало их многопрограммными и многопользовательскими.
3. Применение ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Это направление все больше набирает силу. Во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Для технического обеспечения этого направления нужны качественно новые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей (ЭВМ или процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам.
Уже это небольшое перечисление областей применения ЭВМ показывает, что для решения различных задач нужна соответственно и различная вычислительная техника. Поэтому рынок компьютеров постоянно имеет широкую градацию классов и моделей ЭВМ.
Классификация вычислительных систем
С развитием науки и техники постоянно выдвигаются новые крупномасштабные задачи, требующие выполнения больших объемов вычислений. Особенно эффективно применение суперЭВМ при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. В этом случае ЭВМ позволяет методами численного моделирования получить результаты вычислительных экспериментов, обеспечивая приемлемое время и точность решения, т.е. решающим условием необходимости разработки и применения подобных ЭВМ является экономический показатель “производительность/стоимость”. Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров.
Данные ЭВМ представляют собой многопользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа. Казалось, что с появлением быстропрогрессирующих персональных ЭВМ большие ЭВМ обречены на вымирание. Однако, они продолжают развиваться и выпуск их снова стал увеличиваться, хотя их доля в общем парке постоянно снижается. По оценкам IBМ, около половины всего объема данных в информационных системах мира должно храниться именно на больших машинах. Новое их поколение предназначено для использования в сетях в качестве крупных серверов. Большими ЭВМ комплектуются ведомственные, территориальные и региональные вычислительные центры. В России основными потребителями являются государственные организации и крупные компании федерального уровня, такие, как РЖД (система резервирования мест и продажи билетов) или АвтоВАЗ. В свое время мейнфреймы были единственной вычислительной платформой, способной обслуживать предприятия такого масштаба, и эта платформа активно развивалась. За рубежом мейнфрейм считается классическим решением для определенного круга задач, например, в финансовой сфере.
Средние ЭВМ используются для управления сложными технологическими производственными процессами, ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов, рабочих станций для работы с графикой. Существуют специальные ЭВМ, предназначенные в первую очередь для работы в финансовых структурах. В этих машинах особое внимание уделяется сохранности и безопасности данных.
Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяют удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ также строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.
Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (сотовых телефонах, телевизорах, музыкальных центрах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, тепло- , водоснабжении, регулировке движения транспорта и т.д.), на производстве (робототехнике, управлении технологическими процессами)
| Параметры сравнения | Поколения ЭВМ | |||
| первое | второе | третье | четвертое | |
| Период времени | 1946 — 1959 | 1960 — 1969 | 1970 — 1979 | с 1980 г. |
| Элементная база (для УУ, АЛУ) | Электронные (или электрические) лампы | Полупроводники (транзисторы) | Интегральные схемы | Большие интегральные схемы (БИС) |
| Основной тип ЭВМ | Большие | Малые (мини) | Микро | |
| Основные устройства ввода | Пульт, перфокарточный, перфоленточный ввод | Добавился алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура | Алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура | Цветной графический дисплей, сканер, клавиатура |
| Основные устройства вывода | Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод | Графопостроитель, принтер | ||
| Внешняя память | Магнитные ленты, барабаны, перфоленты, перфокарты | Добавился магнитный диск | Перфоленты, магнитный диск | Магнитные и оптические диски |
| Ключевые решения в ПО | Универсальные языки программирования, трансляторы | Пакетные операционные системы, оптимизирующие трансляторы | Интерактивные операционные системы, структурированные языки программирования | Дружественность ПО, сетевые операционные системы |
| Режим работы ЭВМ | Однопрограммный | Пакетный | Разделения времени | Персональная работа и сетевая обработка данных |
| Цель использования ЭВМ | Научно-технические расчеты | Технические и экономические расчеты | Управление и экономические расчеты | Телекоммуникации, информационное обслуживание |
Таблица — Основные характеристики ЭВМ различных поколений
| Поколение | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Период, гг | 1946 -1960 | 1955-1970 | 1965-1980 | 1980-наст. вр. |
| Элементная база | Вакуумные электронные лампы | Полупроводниковые диоды и транзисторы | Интегральные схемы | Сверхбольшие интегральные схемы |
| Архитектура | Архитектура фон Неймана | Мультипрограммный режим | Локальные сети ЭВМ, вычислительные системы коллективного пользования | Многопроцессорные системы, персональные компьютеры, глобальные сети |
| Быстродействие | 10 – 20 тыс. оп/с | 100-500 тыс. оп/с | Порядка 1 млн. оп/с | Десятки и сотни млн. оп/с |
| Программное обеспечение | Машинные языки | Операционные системы, алгоритмические языки | Операционные системы, диалоговые системы, системы машинной графики | Пакеты прикладных программ, базы данных и знаний, браузеры |
| Внешние устройства | Устройства ввода с перфолент и перфокарт, | АЦПУ, телетайпы, НМЛ, НМБ | Видеотерминалы, НЖМД | НГМД, модемы, сканеры, лазерные принтеры |
| Применение | Расчетные задачи | Инженерные, научные, экономические задачи | АСУ, САПР, научно – технические задачи | Задачи управления, коммуникации, создание АРМ, обработка текстов, мультимедиа |
| Примеры | ENIAC , UNIVAC ( США); БЭСМ — 1,2, М-1, М-20 (СССР) |
IBM 701/709 (США) БЭСМ-4, , М-220, Минск, БЭСМ-6 (СССР) |
IBM 360/370, PDP -11/20, Cray -1 (США); ЕС 1050, 1066, Эльбрус 1,2 (СССР) |
Cray T3 E, SGI (США), ПК, серверы, рабочие станции различных производителей |
На протяжении 50 лет появилось, сменяя друг друга, несколько поколений ЭВМ. Бурное развитие ВТ во всем мире определяется только за счет передовых элементной базы и архитектурных решений.
Так как ЭВМ представляет собой систему, состоящую из технических и программных средств, то под поколением естественно понимать модели ЭВМ, характеризуемые одинаковыми технологическими и программными решениями (элементная база, логическая архитектура, программное обеспечение). Между тем, в ряде случаев оказывается весьма сложным провести классификацию ВТ по поколениям, ибо грань между ними от поколения к поколению становиться все более размытой.
Первое поколение.
Элементная база- электронные лампы и реле; оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках. Надежность — невысокая, требовалась система охлаждения; ЭВМ имели значительные габариты. Быстродействие- 5 — 30 тыс. арифметических оп/с; Программирование — в кодах ЭВМ (машинный код), позднее появились автокоды и ассемблеры. Программированием занимался узкий круг математиков, физиков, инженеров — электронщиков. ЭВМ первого поколения использовались в основном для научно-технических расчетов.
Второе поколение.
Полупроводниковая элементная база. Значительно повышается надежность и производительность, снижаются габариты и потребляемая мощность. Развитие средств ввода/вывода, внешней памяти. Ряд прогрессивных архитектурных решений и дальнейшее развитие технологии программирования- режим разделения времени и режим мультипрограммирования (совмещение работы центрального процессора по обработке данных и каналов ввода/вывода, а также распараллеливания операций выборки команд и данных из памяти)
В рамках второго поколения четко стала проявляться дифференциация ЭВМ на малые, средние и большие. Существенно расширилась сфера применения ЭВМ на решение задач — планово — экономических, управления производственными процессами и др.
Создаются автоматизированные системы управления (АСУ) предприятиями, целыми отраслями и технологическими процессами (АСУТП). Конец 50-х годов характеризуется появлением целого ряда проблемно-ориентированных языков программирования высокого уровня (ЯВУ): FORTRAN, ALGOL-60 и др. Развитие ПО получило в создании библиотек стандартных программ на различных языках программирования и различного назначения, мониторов и диспетчеров для управления режимами работы ЭВМ, планированием ее ресурсов, заложивших концепции операционных систем следующего поколения.
Третье поколение.
Элементная база на интегральных схемах (ИС). Появляются серии моделей ЭВМ программно совместимых снизу вверх и обладающих возрастающими от модели к модели возможностями. Усложнилась логическая архитектура ЭВМ и их периферийное оборудование, что существенно расширило функциональные и вычислительные возможности. Частью ЭВМ становятся операционные системы (ОС). Многие задачи управления памятью, устройствами ввода/вывода и другими ресурсами стали брать на себя ОС или же непосредственно аппаратная часть ЭВМ. Мощным становиться программное обеспечение: появляются системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизирования проектных работ (САПРы) различного назначения, совершенствуются АСУ, АСУТП. Большое внимание уделяется созданию пакетов прикладных программ (ППП) различного назначения.
Развиваются языки и системы программирования Примеры: -серия моделей IBM/360, США, серийный выпуск -с 1964г; -ЕС ЭВМ, СССР и страны СЭВ с 1972г.
Четвертое поколение.
Элементной базой становятся большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы. ЭВМ проектировались уже на эффективное использование программного обеспечения (например, UNIX-подобные ЭВМ, наилучшим образом погружаемые в программную UNIX-среду; Prolog-машины, ориентированные на задачи искусственного интеллекта); современных ЯВУ. Получает мощное развитие телекоммуникационная обработка информации за счет повышения качества каналов связи, использующих спутниковую связь. Создаются национальные и транснациональные информационно-вычислительные сети, которые позволяют говорить о начале компьютеризации человеческого общества в целом.
Дальнейшая интеллектуализация ВТ определяется созданием более развитых интерфейсов "человек-ЭВМ", баз знаний, экспертных систем, систем параллельного программирования и др.
Элементная база позволила достичь больших успехов в минитюаризации, повышении надежности и производительности ЭВМ. Появились микро- и мини-ЭВМ, превосходящие по возможностям средние и большие ЭВМ предыдущего поколения при значительно меньшей стоимости. Технология производства процессоров на базе СБИС ускорила темпы выпуска ЭВМ и позволила внедрить компьютеры в широкие массы общества. С появление универсального процессора на одном кристалле (микропроцессор Intel-4004,1971г) началась эра ПК.
Первым ПК можно считать Altair-8800, созданным на базе Intel-8080, в 1974г. Э.Робертсом. П.Аллен и У.Гейтс создали транслятор с популярного языка Basic, существенно увеличив интеллектуальность первого ПК (впоследствии основали знаменитую компанию Microsoft Inc). Лицо 4-го поколения в значительной мере определяется и созданием супер-ЭВМ, характеризующихся высокой производительностью (среднее быстродействие 50 — 130 мегафлопсов . 1 мегафлопс= 1млн. операций в секунду с плавающей точкой) и нетрадиционной архитектурой (принцип распараллеливания на основе конвейерной обработки команд). Супер-ЭВМ используются при решении задач математической физики, космологии и астрономии, моделировании сложных систем и др. Так как важную коммутирующую роль в сетях играют и будут играть мощные ЭВМ, то сетевая проблематика часто обсуждается совместно с вопросами по супер-ЭВМ Среди отечественных разработок супер-ЭВМ можно назвать машины серии Эльбрус, вычислительные системы пс-2000 и ПС-3000, содержащие до 64 процессоров, управляемых общим потоком команд, быстродействие на ряде задач достигалось порядка 200 мегафлопсов. Вместе с тем, учитывая сложность разработки и реализации проектов современных супер-ЭВМ, требующих интенсивных фундаментальных исследований в области вычислительных наук, электронных технологий, высокой культуры производства, серьезных финансовых затрат, представляется весьма маловероятным создание в обозримом будущем отечественных супер-ЭВМ, по основным характеристикам не уступающим лучшим зарубежным моделям.
Следует заметить, при переходе на ИС-технологию производства ЭВМ определяющий акцент поколений все более смещается с элементной базы на другие показатели: логическая архитектура, программное обеспечение, интерфейс с пользователем, сферы приложения и т.д.
Пятое поколение.
Зарождается в недрах четвертого поколения и в значительной мере определяется результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ, опубликованными в 1981г. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости, вполне обеспечиваемые СБИС и др. новейшими технологиями, должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям: