2. Поколения эвм

После безуспешных работ Георгия Атанасова по созданию электронной машины в 1942 г. выходит книга известного ученого Норберта Винера «Основы кибернетики или теории управления всеми организмами». Основываясь на материале этой книги и на знаниях системной техники, Джон фон Нейман, Чарльз Айстин и другие американские ученые, знакомые с работами Атанасова, приступили к разработке ЭВМ (на базе электронных ламп).

Первая ЭВМ была создана в 1946 году в США в Пенсильванском университете под руководством Дж. Маучли и Дж. Эккерта. Называлась эта машина ENIAC - electronic integrator and calculator (ЭНИАК - аббревиатура от полного названия «электронный интегратор и вычислитель»). Применялась она лишь для расчетов ядерных реакций в военных целях.

От момента создания данной машины и идет эра ЭВМ. И, хотя производительность ее работы составляла мизерную по современным представлениям величину - 5 000 операций в секунду, она была новым принципиальным шагом в развитии вычислительной техники той поры и революционно превосходила все другие виды вычислителей.

Первая в Европе ЭВМ была создана в СССР в 1951 году под руководством академика С.А. Лебедева в АН УССР в Киеве. Называлась она Малая Электронная Счетная Машина - МЭСМ.

Позже в 1952 г. в одном из немецких научных учреждений была обнаружена засекреченная вычислительная машина подобного направления, созданная Карлом Шуреком еще в 1944 г. Но право на изобретение уже было за американцами.

Дальнейшая история развития ЭВМ подобной архитектуры представлена в виде, так называемых поколений. Подробнее о понятии и особенностях архитектурного построения таких машин («фон-неймановской» архитектуры) поговорим ниже

Поколение ЭВМ - совокупность существенных особенностей и характеристик, используемых при построении конструкторско-технологической и логической базы машины. Основа разделения ЭВМ на поколения, прежде всего, выражается в элементной базе.

Элементная база - совокупность технических устройств, из которых собрана вся машина. Она определяет все характеристики ЭВМ.

Чтобы вести изложение отличий ЭВМ по поколениям развития, приведем эти характеристики и рассмотрим, как их следует понимать.

Характеристики ЭВМ

Быстродействие - способность ЭВМ выполнять некоторое количество арифметических и логических операций в единицу времени (как правило, в секунду). Данную характеристику не следует путать с тактовой частотой работы процессора. Дело в том, что выполнение конкретной операции складывается из определенной совокупности элементарных действий, каждое из которых осуществляется за один такт.

Эта характеристика измеряется в MIPS (миллионах команд, выполняемых в секунду) и MFLOPS (миллионах операций над числами с плавающей запятой, выполняемых в секунду).

Объем внутренней и внешней памяти - количество информации, которое может быть доступно для быстрой обработки на ЭВМ или может быть сохранено на продолжительный период. Эти объемы считаются, как было отмечено выше, в байтах, килобайтах и других единицах измерения информации.

Точность вычислений - способность процессора (сопроцессора) ЭВМ выполнять арифметические операции с определенной точностью после запятой (допустим, порядка 300 знаков после запятой).

Габаритные размеры - величина внешних размеров как отдельных модулей или составных частей машины, так и всего комплекса в целом.

Энергопотребление - электрическая мощность, потребляемая от источника питания, как отдельными модулями, так и всей ЭВМ.

Стоимость - цена отдельных модулей, всего комплекса ЭВМ, расходных материалов.

Дизайн - внешний вид, форма, окраска, удобство эксплуатации и др.

Возможность выполнения определенных задач. Эта характеристика определяет тактические или, можно сказать, обобщающие возможности ЭВМ. Они реализуются на базе технических характеристик, рассмотренных выше

Основные характеристики производительности ЭВМ подчиняются эмпирическому закону, сформулированному сотрудником корпорации Intel - Г. Муром. В соответствии с ним тактовая частота процессоров (как основной фактор быстродействия) удваивается каждые полгода.

1-е поколение ЭВМ (с 1946 г. до середины 50-х годов ХХ в.).

Элементная база ЭВМ этого поколения - электронные лампы.

К первому поколению ЭВМ, кроме отмеченных выше, относятся созданные советскими учеными и инженерами ламповые вычислительные машины БЭСМ-2, Стрела, М-2, М-3, Минск-1, Урал-1, Урал-2, М-20. Они были, в основном, ориентированны на решение научно-технических задач.

Что же представляли собой машины первого поколения? Характеристики ЭНИАКа: вес - 30 тонн, занимаемая площадь - 150 м.кв., 40 панелей управления, 18 000 электронных ламп, 1 500 реле, производительность - 5 000 операций в секунду.

Одна из первых вычислительных машин - ТРИДАГ - занимала площадь целого здания.

Эксплуатация ЭВМ первого поколения дала ряд заметных результатов и тем самым определяла необходимость дальнейших научных исследований и практических внедрений в области развития этого нового для человечества класса техники.

Такие исследования и внедрения проводились во многих странах и через некоторое время темпы развития новой отрасли вышли в число одних из ведущих в мире. Так, для сравнения, можно прогнозировать создание нового самолета в авиационной промышленности (где темпы развития также высоки), но в условном пересчете на темпы роста индустрии электронно-вычислительной техники и микроэлектроники. В качестве сравнительных характеристик возьмем скорость, энергопотребление, стоимость. Самолет, который бы мог быть создан при таких условиях, должен быть способным облететь земной шар всего за несколько часов, истратив при этом около 20 кг топлива, а стоил бы всего 500 долларов.

На данном образном примере мы показали, что действительно, начиная с первого поколения, человечество вкладывало огромные ресурсы в становление и развитие электронно-вычислительной техники. Основу такого движения вперед составляли работы по изменению элементной базы ЭВМ и последовательного улучшения всех ее технических характеристик.

Одной из значительных вех на этом пути было изобретение в 1948 году нового электронного прибора - транзистора.

В 1955 г. начинается выпуск транзисторных бортовых ЭВМ для военной авиации. Так было начато 2-е поколение компьютеров.

2-е поколение ЭВМ (с середины 50-х годов до середины 60-х годов ХХ в.).

Элементная база - транзисторы.

Применение транзисторов в этом поколении позволило существенно повысить надежность, снизить энергопотребление, уменьшить размеры ЭВМ.

В целом изменение элементной базы позволило создать ЭВМ, обладающие большими логическими возможностями и более высокой производительностью. Наряду с машинами для научных расчетов, появились ЭВМ для решения планово-экономических задач (задач обработки данных) и управления производственными процессами.

В нашей стране были созданы полупроводниковые ЭВМ различного назначения: малые ЭВМ серии Наири и МИР, средние ЭВМ для научных расчетов и обработки данных со скоростью работы 5-30 тыс. операций в секунду - Минск-2, Минск-22, Минск-32, Урал-14, Раздан-2, Раздан-3, БЭСМ-4, М-220 и управляющие вычислительные машины Днепр, ВНИИЭМ-3 и др.

В рамках второго поколения академики С.А. Лебедев и В.А. Мельников создали сверхбыстродействующую ЭВМ БЭСМ-6 с производительностью 1 000 000 операций в секунду. Именно данной машине принадлежит мировой рекорд преодоления такой производительности.

Таким образом, уже в рамках второго поколения видно существенное расширение сферы использования вычислительной техники по сравнению с первоначальным узкоспециализированным военным применением. Эта тенденция прослеживается и дальше.

Кроме того, во всем мире продолжали развиваться тенденции к повышению надежности, быстродействия, снижению стоимости аппаратуры и улучшению других характеристик.

Качественное развитие указанных тенденций могло быть лишь при изменении элементной базы ЭВМ.

В 1958 г. разработана и создана интегральная схема - новый вид электронных приборов. В ней на одном кусочке полупроводника собрана целая электронная схема.

Важен проект фирмы IBM во второй половине 60-х годов ХХ в. по созданию новых классов ЭВМ на базе интегральных схем (ИС). Фактически был создан совершенно новый промышленный комплекс, по сравнению с которым вся предшествующая вычислительная техника могла бы показаться робким экспериментом. Но это и потребовало серьезных затрат в сумме около 5 млрд. долл. - 500 млн. на исследования и более 4 млрд. на развитие производства. Даже на знаменитый Манхэттенский проект, завершившийся взрывами первых атомных бомб, ушло средств в 2,5 раза меньше.

3-е поколение ЭВМ (с середины 60-х до середины 70-х гг. ХХ в.).

Элементная база - интегральные схемы малой степени интеграции, где на миниатюрном кремниевом кристалле, размером примерно 1 см на 1 см, размещалось до 100 активных элементов. Отсюда и название - чип - от английского слова «кусочек», «обломок».

Первая ЭВМ на интегральных схемах была изготовлена уже в 1961 году. Она содержала 587 схем малой интеграции. А в следующем 1962 г. была выпущена первая серийная ЭВМ 3-го поколения. В полной мере развитие этого поколения относится к выше отмеченному проекту - разработке машин IBM-360.

Наша страна совместно со странами - членами СЭВ - в начале 70-х годов разработали и организовали серийное производство Единой Системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) и Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ) - машин третьего поколения на интегральных схемах.

В 1971 г. был создан первый микропроцессорный комплект 4004 - семейство из пяти дополняющих друг друга кристаллов. Главный чип имел размеры 3,8 на 2,8 мм и содержал 2 250 транзисторов. Первый микропроцессор был 4-разрядным, изготовлен на p-канальных МОП транзисторах и имел быстродействие порядка 50 000 операций в секунду. Уже к концу 70-хх гг. быстродействие микропроцессоров превысило миллион операций в секунду, степень интеграции - 200 000 транзисторов, разрядность достигла 32, что стало достаточным для решения подавляющего большинства задач даже в перспективе. Таким образом, основа для создания ЭВМ 4-го поколения была заложена.

4-е поколение ЭВМ (с середины 70-х годов ХХ в. по настоящее время).

Элементная база - интегральные схемы БИС - большой (от 100 до 1 000 активных элементов на один чип) и СБИС - сверхбольшой (свыше 1 000 активных элементов на один чип) степени интеграции. В первую очередь на этих элементах строят память ЭВМ.

В ЭВМ четвертого поколения достигается дальнейшее упрощение контактов человека с ЭВМ. Использование БИС и СБИС позволяет аппаратными средствами реализовывать некоторые функции программ операционных систем (аппаратная реализация трансляторов с алгоритмических языков высокого уровня и др.), что способствует увеличению производительности.

Характерным для крупных ЭВМ четвертого поколения является наличие нескольких процессоров, ориентированных на выполнение определенных операций, процедур или на решение некоторых классов задач. Создаются многопроцессорные вычислительные системы с быстродействием в несколько десятков или сотен миллионов операций в секунду. Кроме того, разрабатываются и многопроцессорные управляющие комплексы повышенной надежности с автоматическим изменением структуры (автоматической реконфигурацией).

Революцией в развитии вычислительной техники явилось создание и выпуск персональных компьютеров. Появлению их способствовали такие условия. Фирмы-разработчики ЭВМ поглощали не более 15% вала микропроцессоров, поставляемых фирмами-технологами. И тогда последние развернули широкую кампанию, стремясь пробудить самодеятельность населения. Попытка удалась настолько, что мир захлестнула новая волна радиолюбительства (точнее компьютеролюбительства). Работая в любых доступных условиях, люди конструировали персональные машины, предназначенные для индивидуального пользователя.

Двоим любителям сопутствовала невероятная удача. Персональная машина «Apple» (яблочко), созданная в 1976 г. Стивеном Джобсом и Стивом Возняком, 20-летними техниками фирмы электрических игрушек, оказалась очень удачной. Уже в 1977 г. ее тираж превысил миллион; к 1984 г. объем продажи фирмы «Apple» достиг 1 млрд. долларов - уровня, до которого нынешний сверхгигант вычислительной техники IBM шел 50 лет! Впрочем, с начала 80-х гг. и IBM и другие мощные фирмы вступили в борьбу за рынок персональных машин. И они достигли больших результатов: условное время сборки одной ЭВМ на линиях сократилось до нескольких секунд, увеличивались емкость памяти, пространственное и цветовое разрешение дисплеев.

В нашей стране в рамках 4-го поколения выпущены разнообразные машины: продолжение серий ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ, причем с рядом персональных ЭВМ, например, ЕС 1840,1841,1842, Искра 1030.

За рубежом - это компьютеры на базе процессора Intel 286, 386, 486, а затем ряда моделей Pentium.

В рамках 4-го поколения развились также хорошо известные всему миру средства вычислительной техники - микрокалькуляторы.

5-е поколение ЭВМ

В значительной степени формированию пятого поколения способствовали публикации сведений о проекте ЭВМ пятого поколения, разрабатываемом ведущими японскими фирмами и научными организациями, поставившими перед собой цель захвата в 90-х годах ХХ в. мирового лидерства в области вычислительной техники на основе обладания высочайшими технологиями в производстве микропроцессоров. Поэтому этот проект часто называли «японским вызовом».

Согласно проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения помимо более высокой производительности и надежности при более низкой стоимости должны обладать следующими качественно новыми свойствами. Это: 1) возможность взаимодействия с ЭВМ при помощи естественного языка, человеческой речи и графических изображений; 2) способность системы обучаться, производить ассоциативную обработку информации, делать логические рассуждения, вести «разумную» беседу с человеком в форме вопросов и ответов; 3) способность системы «понимать» содержимое базы данных, которая при этом превращается в «базу знаний» и использовать эти «знания» при решении задач.

Предполагалось, что в ЭВМ пятого поколения быстродействие машин и емкость основной (оперативной) памяти составят соответственно 2 млн. операций в секунду и 0,5 - 5 Мбайт для персональных компьютеров и 1-100 млрд. операций в секунду и 8-160 Мбайт для сверхпроизводительных ЭВМ. Ожидалось, что в машинах пятого поколения будут использоваться СБИС, содержащие до 1-10 млн. транзисторов на одном чипе.

Однако современная оценка состояния этих прогнозов является неоднозначной. Ряд поставленных целей из-за конструктивных особенностей машин «фон-неймановской» архитектуры не были достигнуты. В то же время основные характеристики (например, быстродействие, объем оперативной памяти и др.) были перекрыты и, нередко, очень значительно. Так, объемы оперативной памяти в 128, 256, 512, 1024 Мбайт и выше в современных персональных ЭВМ стали уже практической необходимостью. Общая проблема данного поколения, как оказалось, скрыта не в достижении некоторых технических характеристик ЭВМ, а в необходимости замены основной идеи работы - программного принципа и связанной с ним «фон-неймановской» архитектуры. О некоторых попытках создания ЭВМ новых архитектур расскажем дальше.

В заключении отметим: несмотря на то, что пятое поколение ЭВМ так и осталось еще не полностью реализованным, ведутся научные и практические исследования по разработке и созданию следующих поколений. Идеи этих поколений состоят не только в принципиальной замене архитектурного построения, но и в применении иногда фантастических вариантов физической реализации ЭВМ, как, например, предлагается при создании биокомпьютеров, т.е. управление живыми организмами с помощью средств и методов компьютерной техники.