Уроки 37 - 38
История и перспективы развития вычислительной техники
§31. История развития вычислительной техники
Содержание урока
Поколения ЭВМ (совершенствование элементной базы)
Развитие возможностей от поколения к поколению
Поколения ЭВМ (совершенствование элементной базы)
Неудачная попытка Бэббиджа построить механическую Аналитическую машину показала, насколько важную роль играет элементная база. Именно поэтому дальнейшую историю вычислительной техники принято делить на периоды в соответствии с теми элементами, из которых изготавливались машины.
Первое поколение ЭВМ относят к периоду примерно 1945-1955 гг. Эти машины были построены на базе электронных ламп 1. Открыл его уже описанный ранее ЭНИАК. В нашей стране машинами первого поколения были МЭСМ (Малая электронная счётная машина, 1951 г., рис. 5.3), БЭСМ (Большая, или Быстродействующая, электронная счётная машина, 1952 г.), Стрела (1953 г.), Урал (1954 г.), М-20 (1959 г.). Все эти машины были огромными, неудобными и дорогими.
1 В середине XX века было разработано несколько счётных машин на электромагнитных реле, но их из-за малого количества не принято включать в классификацию поколений.
Рис. 5.3. ЭВМ первого поколения МЭСМ (фото из Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов)
Второе поколение ЭВМ (примерно 1955-1965 гг.) появилось, когда на смену лампам в электронных схемах пришли транзисторы. Первый экспериментальный компьютер на транзисторах ТХ-0 был создан в 1955 г. в Массачусетском технологическом институте (США). ЭВМ на транзисторах были значительно меньше и имели существенно более высокое быстродействие; они потребляли гораздо меньше энергии, были надёжнее и не требовали таких громоздких систем отвода тепла, как ламповые машины. Многие машины второго поколения уже помещались в обычной комнате среднего размера, например ЭВМ серии Наири (1964 г.) или МИР (Машина инженерных расчётов, 1965 г.). Наиболее производительными ЭВМ этого поколения стали Стретч (США, 1960 г.), Атлас (Великобритания, 1961 г.), CDC 6600 (США, 1964 г.) и БЭСМ-6 (СССР, 1967 г., рис. 5.4).
Рис. 5.4. ЭВМ второго поколения БЭСМ-6 (фото из Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов)
Третье поколение ЭВМ (примерно 1965-1975 гг.) связано с появлением интегральных микросхем. Размеры элементов, из которых строились вычислительные машины, существенно уменьшились (рис. 5.5). Казалось бы, размеры самих этих ЭВМ снова должны были существенно уменьшиться, но этого не произошло. Дело в том, что ЭВМ третьего поколения были предназначены для коллективной (многопользовательской) работы. Это было время крупных вычислительных центров, предоставлявших услуги огромному числу пользователей из многих организаций. Поэтому главное внимание уделялось не уменьшению размеров и стоимости машин, а повышению их вычислительной мощности и эффективности обработки больших объёмов данных.
Рис. 5.5. Уменьшение размеров ячеек памяти ЭВМ от первого до третьего поколений (в каждой из них — по два триггера)
Отличительная черта третьего поколения — выпуск семейств вычислительных машин, которые были совместимы между собой как аппаратно (все устройства сконструированы по одинаковым стандартам), так и программно (имели одинаковую систему команд). Впервые идею общей архитектуры, обеспечивающей выполнение написанных ранее программ на любой новой модели, предложила фирма IBM, которая разработала семейства больших ЭВМ IBM/360 и IBM/370. В этот период в СССР было принято решение перейти к копированию зарубежной техники ради обеспечения совместимости. В результате в странах Восточной Европы были выпущены «аналоги» упомянутых выше семейств под общим названием ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ). Одновременно появились мини-ЭВМ семейства СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ), аналогичное известному зарубежному семейству PDP фирмы DEC.
Четвёртое поколение ЭВМ берёт своё начало примерно с 1975 г. Прогресс в электронике дал возможность существенно увеличить плотности «упаковки» элементов на кристалле, и в одной микросхеме теперь удавалось собрать целый узел, например микропроцессор. Микросхемы такого уровня стали называть БИС (большие интегральные схемы, от 1000 до 10 000 элементов на кристалле), а позднее — СБИС (сверхбольшие ИС, более 10 000 элементов). Именно они стали основой четвёртого поколения ЭВМ, которое существует вплоть до настоящего времени.
Увеличение плотности схемы позволило в первую очередь повысить быстродействие компьютеров 2. Кроме того, возросла и надёжность, поскольку значительная часть электрических соединений выполнена внутри кристалла. Однако при высокой плотности монтажа увеличивается теплоотдача от миниатюрных деталей, поэтому требуются специальные меры по отводу тепла (например, установка вентиляторов охлаждения).
2 При быстродействии 109 элементарных операций в секунду (типичное по порядку величины значение для современного компьютера) за время каждой из них электрический сигнал со скоростью 3 • 108 м/с успевает пройти путь всего 30 см.
Первый восьмиразрядный процессор Intel 8080, предназначенный специально для компьютеров, был выпущен в 1974 г. На его базе был разработан микрокомпьютер Альтаир, имевший большой коммерческий успех. Он вошел в историю ещё и потому, что в 1975 г. молодой студент Билл Гейтс со своим другом Полом Алленом реализовали на нём язык программирования BASIC. Чуть пoзднее они создали известную компанию Microsoft.
Кроме персональных компьютеров к четвёртому поколению относятся серверы — мощные вычислительные машины, которые используются для управления компьютерными сетями. Они предоставляют свои ресурсы (например, принтеры, файлы или программы) в коллективное пользование. Серверы могут эффективно обслуживать большое количество пользователей одновременно. Например, два сервера Hewlett-Packard Т600 (по 12 процессоров в каждом), установленные в системе резервирования билетов Amadeus, способны практически без задержек обслуживать примерно 60 миллионов запросов в сутки (система имеет около 180 тысяч терминалов в более чем ста странах мира).
Важное направление в компьютерах четвёртого поколения — параллельная (одновременная) обработка данных. Если решаемую задачу удается разбить на независимые друг от друга действия, то их необязательно делать друг за другом, а можно для экономии времени выполнять одновременно. Правда, для этого требуется несколько процессоров, но современный уровень техники это позволяет. Более того, в последнее время были сконструированы многоядерные процессоры, т. е. фактически несколько процессоров в одном кристалле.
Мощные многопроцессорные компьютеры, в которых выполняется параллельная обработка данных, называют суперкомпьютерами. Это уникальные устройства, поэтому они изготавливаются штучно.
В литературе часто упоминаются суперкомпьютеры серии CRAY, разработанные под руководством Сеймура Крэя. Первая модель этой серии, CRAY-1, была построена в США в 1976 г. и имела огромный коммерческий успех.
Все развитые страны ведут жёсткую конкуренцию в области суперкомпьютеров, поскольку обладание такой техникой позволяет решать стратегически важные вычислительные задачи:
• исследование геофизики Земли, прогнозирование изменений климата на планете;
• создание математических моделей молекул (полимеров, кристаллов и т. п.), синтез новых материалов и лекарств;
• расчёт процессов горения и взрыва, а также моделирование других физических задач (обтекание летательных аппаратов, прочность кузовов автомобилей);
• моделирование и прогнозирование ситуации в экономике;
• расчёты процессов нефте- и газодобычи, а также сейсморазведки недр;
• проектирование новых электронных устройств.
Приведём несколько примеров применения суперкомпьютеров. Исследователи фирмы IBM на протяжении десятилетий изучают деятельность мозга и пытаются моделировать её. В 2009 г. появилось сообщение о том, что полученная в рамках проекта модель мозга по своим возможностям превзошла уровень кошки: моделируется 1 миллиард нейронов и 10 триллионов связей между ними! Модель работает на базе суперкомпьютера Blue Gene/P, имеющего 147 456 процессоров и 144 Тбайт оперативной памяти.
По данным компании Ford Motor, благодаря детальному моделированию на суперкомпьютере, количество разрушаемых в крэш- тестах 3 автомобилей удаётся сократить на треть.
3 Крэш-тесты — это тесты, исследующие поведение машин при сильном ударе о бетонное препятствие.
Применение суперкомпьютеров для расчёта состава лекарств позволяет уменьшить срок их разработки с нескольких лет до полугода.
Мощные компьютеры используются при создании компьютерных спецэффектов в кино. Например, для фильма «Властелин колец» фирме WETA Digital потребовалось столько суперкомпьютеров, что Новая Зеландия вышла на первое место в мире по их количеству на душу населения.
В 2009 г. в МГУ введён в строй самый мощный российский суперкомпьютер «Ломоносов» (рис. 5.6) производительностью около 400 Тфлопс 4. В его состав входят 8892 многоядерных процессора (общее число ядер — 35 776). На момент запуска «Ломоносов» занимал в мировом рейтинге суперкомпьютеров Тор500 двенадцатое место.
4 Флопс (англ. FLOPS — floating point operations per second) — единица измерения количества операций с вещественными числами за 1 секунду; приставка «тера» добавляется по тем же правилам, что и при измерении информации; очевидно, что операции над вещественными числами намного сложнее и выполняются гораздо дольше, чем над целыми.
Рис. 5.6. Суперкомпьютер «Ломоносов»5
5 Фотография предоставлена компанией «Т-Платформы» (www.t-platforms.ru).
Много шума наделал японский проект по созданию компьютеров пятого поколения (1982-1992 гг.). Было заявлено, что в основе компьютеров пятого поколения будут уже не вычисления, а логические заключения, т. е. произойдёт переход от обработки данных к обработке знаний. Машину обещали научить воспринимать речевые команды человека, читать рукописный текст, анализировать графические изображения и делать многие другие нетривиальные для компьютера вещи. Планы проекта были грандиозны. Но, несмотря на щедрое финансирование и передовые позиции японских технологий, успехи оказались весьма скромными. На основе программного моделирования на компьютерах четвёртого поколения удалось реализовать лишь отдельные детали проекта, причём реальная машина, работающая на базе логических выводов, так и не вышла за стены лабораторий.
Таким образом, создание принципиально новых компьютеров пятого поколения закончилось неудачей. Все компьютеры, используемые в настоящее время, по-прежнему построены на базе идей четвёртого поколения. Классификация поколений «замерла» в ожидании новых революционных идей. Такие идеи особенно необходимы ещё и потому, что электронная техника уже подошла к пределу быстродействия, который определяется законами физики: для увеличения скорости передачи данных требуется уменьшать размеры электронных деталей, но плотность упаковки транзисторов в полупроводниковом кристалле и так уже практически достигла максимально возможной. Поэтому идёт поиск неэлек- тронных средств хранения и обработки данных.
В первую очередь учёные попытались использовать в качестве носителя информации свет — так появились оптические процессоры. В них можно применять параллельную обработку данных, например одновременно выполнять какую-то операцию со всеми пикселями изображения. В 2003 г. был выпущен оптический процессор Enlight256, который имеет оптическое ядро, а входные и выходные данные представлены в электронном виде. Быстродействие этого процессора — 8 триллионов операций в секунду. Он состоит из 256 лазеров, набора линз и фотоприёмников. Оптические процессоры используются в военной технике и при обработке видеоданных в реальном времени.
Большие надежды связаны с разработкой квантовых компьютеров, в которых применяются идеи квантовой физики, описывающей законы микромира и поведение отдельных элементарных частиц. Данные для обработки в квантовом компьютере записываются в систему кубитов — квантовых битов. Затем с помощью специальных операций состояние этой системы изменяют по определённому алгоритму. Конечное состояние системы кубитов — это и есть ответ в задаче. Особые свойства кубитов 6 позволяют организовать параллельную обработку данных, так же как и в многопроцессорных системах. Поэтому многие задачи, для решения которых сейчас не хватает вычислительных ресурсов (например, раскрытие шифров), будут достаточно быстро решены, как только квантовый компьютер будет построен.
6 В отличие от привычного нам бита кубит устроен так, что способен вместить в себя гораздо больше информации.
В некоторых лабораториях ведётся разработка биологических компьютеров (биокомпьютеров), которые работают как живой организм. Ячейки памяти биокомпьютеров — это молекулы сложных органических соединений, например молекулы ДНК, в которых хранится наследственная информация. Сам процесс вычислений — это химическая реакция, результат — состав и строение получившей молекулы.
Проводятся также исследования и в области нанотехнологий, с помощью которых планируют построить транзистор размером с молекулу.
Следующая страница 
Развитие возможностей от поколения к поколению
Cкачать материалы урока
