История развития вычислительной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

История развития вычислительной техники

История вычислительной техники

Всю историю вычислительной техники хронологически можно разделить на четыре этапа: 1) ручной - с ранних сроков развития человеческого общества; 2) механический - с середины 17-го века; 3) электромеханический - с 90-х годов 19-го века; 4) электронный - с 40-х годов 20-го века.

Ручной этап

Первым инструментом для счета человеку служили собственные пальцы. С ними связано появление позиционного кодирования чисел с основанием 10. Счете помощью группировки и перекладывания предметов привел к изобретению арабами абака, прибора, известного в настоящее время как конторские счеты. В древнем абаке каждый стержень был разделен на две части по пять и две косточки (две руки и пять пальцев). Хорошо приспособленный для сложения и вычитания, абак оказался недостаточно эффективным для операций умножения и деления. В 1614 г. шотландский теолог и математик Джон Непер ввел понятие логарифма. Поскольку логарифм перемножения двух чисел равен сумме логарифмов, это позволило реализовать действие умножения на основе перемещения реек (прообраз логарифмической линейки, она изобретена в 1620 году). Непер же придумал в 1617 г. другой прибор для перемножения чисел - костяшки Непера. Это набор сегментированных стерженьков, которые можно было располагать таким образом, что, складывая числа в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах, получался результат умножения.

Механический этап

Первый механический вычислитель был описан в 1623 г. В. Шикардом. Он предназначался для выполнения четырех арифметических действий над шестиразрядными числами. Числа вводились посредством наборных дисков, результаты отображались в окошках. Для умножения использовался принцип костяшек Непера. Принципиальная схема машины Шикарда была классической, она использовалась потом в большинстве механических вычислительных устройств. Француз Блез Паскаль в 1642г. (в 19 лет) создал более совершенный вычислительный прибор. Его суммирующая машина «Паскалина» представляла ящик с механическими шестеренками. Числа вводились путем поворота наборных колес. Каждое колесо соответствовало одному разряду. Был организован перенос единицы в старший разряд, когда колесо делало более чем один оборот. Была сделана серия из 50 машин, что способствовало формированию мнения о механизации умственного труда. Основной недостаток «Паскалины» - сложность выполнения других операций через операцию сложения. Первая машина, позволяющая легко производить умножение и деление, была изобретена в XVII веке в Германии математиком Г.В. Лейбницом (родился в 1646 г.). Лейбниц прославился больше созданием дифференциального и интегрального исчисления, он заложил также основы двоичной системы счисления. Он познакомился с голландским математиком и астрономом X. Гюйгенсом и задумал создать вычислительную машину для облегчения расчетов, «поскольку это недостойно таких замечательных людей, подобно рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было доверить кому угодно при использовании машины». В 1672 г. он изготовил механический калькулятор. Принцип действия был одинаков с «Паскалиной», но в нем имелась движущая часть (прообраз каретки настольных калькуляторов). Это ускоряло операцию умножения как последовательность сложений со сдвигом.

Вычислитель Лейбница в дальнейшем постоянно совершенствовался. Русский инженер В.Т. Однер в 1874 г. предложил использовать в вычислителях колеса с переменным числом зубьев. Путем передвижения рычажков установки цифры в колесе выдвигалось столько зубьев, сколько цифр установлено в разряде. При полном обороте колеса, связанная с ним шестерня поворачивалась на угол, заданный числом зубьев. Это вычисли- тельное устройство, названное арифмометром, положило начало математическому машиностроению. Относительно простые технологичные настольные арифмометры выпускались в массовом количестве во многих странах вплоть до 60-х годов 20-го века, когда они были вытеснены настольными и карманными электронными калькуляторами. В СССР долгое время выпускался арифмометр Феликс, который и сейчас можно отыскать в бухгалтериях старых учреждений. В 1804 г. инженер Жозеф Мари Жаккард построил полностью автоматизированный ткацкий станок, способный воспроизводить сложнейшие узоры. Работа станка управлялась перфокартами. Одна карта управляла одним проходом челнока (опускались и поднимались нити основы). Для перехода к новому рисунку достаточно было сменить набор перфокарт. Ближе всего к созданию компьютера в его современном понимании подошел англичанин Чарльз Бэббидж (род. 1791 г.). Он заведовал кафедрой математики Кембриджского университета.

В 1822 г. Бэббидж опубликовал научную статью с описанием машины для расчета и печати математических таблиц (разностной машины) и построил ее модель. Он долго трудился над созданием настоящей разностной машины, но так до конца ее не довел, но пришел к идее более мощной, аналитической машины. Она должна была выполнять действия, управляемые программой (первый программируемый компьютер). Программа представлялась на перфокартах. Машина имела АУ -«мельница», ОЗУ -- «склад», УУ на двух жаккардовых механизмах и блок вывода данных (УВВ). Память вмещала до 1000 50-разрядных десятичных чисел. Огаста Ада Лавлейс (дочь лорда Байрона) отдала все способности осуществлению проекта Бэббиджа. В 1843 г. она составила первую в мире достаточно сложную программу вычисления чисел Бернулли и по праву считается первым программистом. Аналитическая машина так и не была построена. В окончательном виде она должна быть не меньше железнодорожного локомотива и приводиться в действие паровым двигателем.

Однако швед Пер Георг Шойц, прочитав труды Бэббиджа, построил слегка видоизмененный вариант разностной машины в 1854 г. Лишь через 19 лет после смерти Бэббиджа один из принципов, лежащих в основе аналитической машины (использование перфокарт), нашел воплощение в действующем устройстве.

Электромеханический этап

Этот этап развития вычислительной техники был наименее продолжительным и охватывал всего 60 лет -- от первого табулятора до первой ЭВМ. Первый счетно-аналитический комплекс был создан в США Германом Холлеритом в 1887 г. и состоял из ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Используя идеи Жаккарда и Бэббиджа, Холлерит использовал перфокарты в качестве информационного носителя. Комплекс применялся для обработки результатов переписи населения США в 1890 г. Карта Холлерита была размером с долларовую купюру. На карте имелось 12 рядов, в каждом ряду можно было пробить по 20 отверстий (потом - 80). В каждой колонке кодировалась информация о человеке (возраст, пол, кол-во детей и т.д.). Табулятор механически отыскивал нужные отверстия, и замыкание контактов поворачивало колеса одного из счетчиков табулятора. С помощью табулятора удалось за шесть недель сделать предварительную обработку результатов переписи 1890 г.

Счетно-аналитический комплекс Холлерита был закуплен Россией, Канадой, Австро-Венгрией и использован ими в кампаниях переписи населения. Окрыленный успехом, Холлерит основал фирму по выпуску табуляторов. В 1924 г. она объединилась с другими фирмами и получила название International Business Machines Corporation - IBM. Счетно-аналитические комплексы выпускались в нескольких странах. На их основе создавались машинно-счетные станции (прообразы вычислительных центров). Перфокарты как носители данных прожили долгую жизнь и оставались основным носителем данных (ввод/вывод) в ЭВМ до появления дисплеев. Дальнейшие работы по созданию вычислительной техники связаны с двоичной системой счисления. Идея использования лишь двух символов для кодировки информации стара. Барабаны африканских бушменов давали звонкий и глухой звуки; азбука Морзе использовала точку и тире. Первым заинтересовался двоичной системой Г.В. Лейбниц. В 1666 г., оканчивая университет, он набросал работу «Искусство составления комбинаций». В ней заложены основы общего метода, который позволяет свести мысль человека к совершенно точным формальным высказываниям. Логика переводилась из словесного царства в царство математики, где отношения между объектами или высказываниями определяются совершенно точно. Однако Лейбниц так и не нашел полезного применения полученным результатам, а изобретенный им калькулятор был десятичным.

Но значение его работ трудно переоценить. «Если бы мне пришлось выбирать в анналах истории наук святого покровителя кибернетики, то я бы выбрал Лейбница», писал Нор-берт Винер. Спустя более ста лет после смерти Лейбница английский математик-самоучка Джорж Буль в 1842 г. написал работу «Математический анализ логики», а в 1854 г. развил свои идеи в работе «Исследования законов мышления». В этих работах Д. Буль создал булеву алгебру. С ее помощью можно закодировать высказывания, истинность или ложность которых требовалось доказать. Американский логик Чарльз Сандерс Пирс модифицировал и расширил булеву алгебру. В 1936 г. выпускник Мичиганского университета, где он получил два диплома бакалавра по электротехнике и математике, Клод Шеннон перешел в Массачусетский технологический институт (МТИ). Руководителем его был профессор В. Буш, который построил механическое устройство - дифференциальный анализатор (1930 г.). Анализатор занимал целую комнату и решал дифференциальные уравнения. Для изменения коэффициентов уравнения надо было менять шестеренки. Буш предложил К. Шеннону изучить логическую организацию дифференциального анализатора. Вспомнив булеву алгебру, Шеннон поразился ее сходством с принципом работы электрический цепей. В 1938 г. К. Шеннон опубликовал докторскую диссертацию на эту тему. Она считается поворотным пунктом в истории развития современной информатики и вычислительной техники. После войны (1948 г.) Шеннон опубликовал работу «Математическая теория связи», где заложил основы новой науки -- теории информации (см. гл. 1). Одновременно с Шенноном размышлял о тех же проблемах профессор физики Джон Атанасофф. В 1938 г. он решил создать машину на основе двоичной системы счисления. В то же время сотрудники фирмы «Белл Телефон Лабораторикс» -- математик Джордж Стибиц и электрик Сэмюель Уильяме создали электромеханические устройства для реализации арифметических действий на основе булевой алгебры. В 1940 г. они построили на этой основе калькулятор комплексных чисел.

Устройством ввода и вывода служил телетайп. Много для развития вычислительной техники сделал немецкий специалист, инженер Конрад Цузе. Он явился пионером создания универсальной вычислительной машины с программным управлением и хранением данных в запоминающем устройстве и в 1936 г. построил механический вычислитель Z1 (/use). В 1938- 1946 гг. были созданы еще три модели (Z2-Z4). Модель Z3 была реализована на 2600 электромагнитных реле, работала в двоичной системе счисления и имела устройство ввода на перфоленте на основе 35-миллиметровой кинопленки. Модель Z4 успешно эксплуатировалась до 1955 года. Z3 и Z4 использовались для расчетов конструкций самолетов и ракет. В США работы Цузе стали известны только в 1947 г. и оказали влияние на последующий ход развития вычислительной техники. Вторая мировая война дала мощный импульс развитию вычислительной техники. Гарвардский математик Говард Эйкен познакомился с описанием аналитической машины Бэббиджа и убедил руководство IBM начать ее постройку для проведения баллистических расчетов. «Если бы Бэббидж жил на 75 лет позже, я остался бы без работы», - говорил Г. Эйкен. В 1943 г. была изготовлена машина «Марк-1». Переключателями служили электромеханические реле, программа была записана на перфоленте. Но Эйкен не дошел до преимущества двоичной системы счисления, и «Марк-1» работал с десятичными числами. Данные вводились в машину на наборном поле с помощью переключателей. «Марк-1» работал с 23-разрядными числами с параметрами: сложение - 0.3 с, умножение - 3 с. Конструкция имела длину 17 метров и высоту 2,5 м, содержала 3304 реле. За день объем работы, выполненный «Марком» превышал ручную полугодовую работу. Большое значение имело то, что в качестве устройств ввода-вывода использовались серийные устройства фирмы IBM, обладающие высокой надежностью.

«Марк-1» работал в ВМФ для баллистических расчетов, а затем трудился в Гарвардском университете до 1959 г. В 1942 г. Цузе и австрийский инженер Хельмут Шрайнер предложили перевести компьютер с электромеханических реле на электронные лампы. Предлагалось использовать компьютер для расшифровки секретных кодов военных сообщений. В условиях войны этот проект не был реализован в Германии. Этой работой занялись в Англии. К ней были привлечены лучшие силы, в том числе кембриджский математик Алан Тьюринг, который в 1936 г. строго описал устройство, которое может производить любые неформально поставленные задачи через операции математической логики - машину Тьюринга. Английский «Колосс» был создан в 1943 г. и содержал 2000 электронных ламп. Устройство ввода на перфоленте сканировало 5000 символов в секунду, после чего в поисках соответствия машина сопоставляла зашифрованное сообщение с известными кодами немецкой шифровки. «Колосс» был первой действующей ЭВМ, но специализированной. «Колосс» помог Англии в войне, но не оказал влияние на создание других ЭВМ, об этой работе стало известно лишь спустя 30 лет, когда истек срок сохранения государственной тайны в Англии. В Советском Союзе в 1957 г. под руководством Н.И. Бессонова была создана релейная вычислительная машина -- РВМ-1, она проработала до 1965 г. Это был последний крупный проект в области программно-управляемых электромеханических вычислителей. Машина была хорошо приспособлена для обработки данных, на ней был выполнен пересчет цен на товары для денежной реформы 1960 г. РВМ-1 содержала 5500 реле. Операция умножения двух чисел, представленных в форме с плавающей точкой (33 двоичных разряда, 27 -- мантисса, 6 -- порядок), выполнялась за 50 мс, что было сравнимо с быстродействием ЭВМ того времени. Машина имела постоянную память, где располагались табличные функции и константы, что ускоряло процесс решения задач.

Электронные вычислительные машины

Первая универсальная ЭВМ была изготовлена в США Джоном У. Мочли и Дж. Преспером Экертом. В 1941 г. Мочли познакомился с Аганасоффом и его принципами электронного компьютера и в 1942 г. внес предложение о создании быстродействующего компьютера на лампах для баллистических расчетов. В 1945 г. они создали ЭНИАК - первую универсальную ЭВМ. EN1AC - Electronic Numerical Integrator and Computer. Она имела 18000 ламп, весила 30 т, потребляла мощность 150 кВт. Тактовая частота составляла 100 кГц, операция сложения выполнялась за 0.2 мс, умножения - 2.8 мс (это в 1000 раз быстрее «Марка»). ЭНИАК работал в десятичной системе счисления. Программа задавалась схемой коммутации на 40 наборных полях. На перестройку программы уходили недели. Следующая модель Мочли и Эккерта - ЭДВАК (EDVAC -Electronic Discrete Automatic Variable Computer) была запущена в 1950 г. и полностью завершена в 1952 г. ЭВМ имела память, реализованную на ртутных линиях задержки, в которой размещались одновременно данные и программы. ЭДВАК работал в двоичной системе счисления, операции сложения и умножения выполнялись за 1 и 2 мс. ЭВМ содержала более 3500 электронных ламп. Это была первая универсальная ЭВМ с хранимой в памяти программой, т.е. построенная по архитектуре Дж. фон Неймана, который непосредственно участвовал в ее разработке. С принципами фон Неймана познакомился английский исследователь Морис Уилкс. Вернувшись в Кембридж, он в 1949 г. завершил постройку английской ЭВМ ЭДСАК (EDSAC -- Electronic Delay Storage Automatic Calculator) - электронного автоматического калькулятора с памятью на линиях задержки. ЭДСАК работал в двоичной системе счисления, простые команды выполнялись за 1.5 мс. Ряд операций обеспечивался выполнением подпрограмм, оригинально были организованы команды перехода. Однако ЭДВАК не только явился первой универсальной ЭВМ с хранимыми в памяти программами (программа и подпрограммы), но и позволял создавать программы из перемещаемых подпрограмм, объединяя их в одну программу в момент загрузки в память. Данная модель до сих пор является одной из составных в технологии программирования. Компьютер ЭДСАК положил начало новому этапу развития вычислительной техники - первому поколению универсальных ЭВМ.

Первые ЭВМ в СССР

Советские разработки первых ЭВМ начались в 1946 г. под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева (1902-- 1974 гг.) в местечке Феофания под Киевом. В 1947 г. был закончен проект модели электронно-счетной машины -- МЭСМ, а в 1951 г. она была введена в эксплуатацию. Архитектура МЭСМ удовлетворяла почти всем принципам Дж. фон Неймана. Она была универсальной ЭВМ с хранимой в памяти программой. Система команд была трехадресной и включала команду условного перехода, вычисления велись в двоичной системе. ОЗУ было реализовано на магнитном барабане. Быстродействие МЭСМ было всего 50 оп/с (определялось скоростью вращения магнитного барабана). На МЭСМ были отработаны функциональные и схемные решения, которые должны быть применены в большой ЭВМ. Параллельно в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ, г. Москва) под руководством С.А. Лебедева в 1952 г. была создана БЭСМ (Большая Электронно-Счетная Машина). АЛУ БЭСМ имело быстродействие 10000 оп/с, но ОЗУ на линиях задержки не позволяло получить быстродействие более 800 оп/с. На основе БЭСМ в 1955 г. была создана серийная ЭВМ БЭСМ-1. Несколько позднее было создано КБ для серийного производства ЭВМ под руководством Ю.Я. Базилевского. На разработке и освоении ЭВМ «Стрела» вырос коллектив талантливых конструкторов и специалистов по программированию. С 1953 г. «Стрела» выпускалась малой серией. В Энергетическом институте АН ССР под руководством И.С. Брука были созданы в 1952 г. машина М-2 средней мощности и малая машина М-3. На основе последней в Минске была разработана ЭВМ «Минск-1» и организован ее серийный выпуск. В Пензе было создано ОКБ, куда переехала часть конструкторов «Стрелы». Они начали разработку серии ЭВМ «Урал», специально ориентированных на обработку экономической информации. В институте кибернетики АН УССР под руководством его директора академика В.М. Глушкова была создана управляющая ЭВМ «Киев» и впервые была осуществлена задача управления технологическим производством на расстоянии. В Москве продолжались работы по модернизации БЭСМ-1. После введения ОЗУ на магнитных сердечниках и модернизации других устройств быстродействие БЭСМ было повышено до 8-10 тыс. оп/с и была запущена в серию ЭВМ БЭСМ-2.

Второе поколение - транзисторные ЭВМ

Создание в 1948 г. транзистора привело к разработке ЭВМ на полупроводниковой элементной базе. Второе поколение начинается с ЭВМ RCA-501, появившейся в 1959 г. в США. Новая элементная технология позволила резко повысить надежность электронной техники, снизить ее габариты и потребляемую мощность, а также значительно повысить производительность. Это позволило создавать ЭВМ с большими логическими возможностями, что способствовало распространению сферы применения ЭВМ на решение задач планово-экономических, управления производственными процессами. На базе ЭВМ стали создаваться автоматизированные системы управления (АСУ). Все более четко проявляется разделение ЭВМ на малые, средние и большие. Значительным событием в ЭВМ второго поколения стали Atlas (Англия), Stretch и CDC-6600 (США) и БЭСМ-6 (СССР). ЭВМ Atlas была изготовлена в 1961 г. Здесь впервые была реализована концепция виртуальной памяти. Atlas имела производительность 900 тыс. оп/с. В ней для управления впервые использовалась операционная система. В 1960 г. IBM выпустила Stretch (IBM-7030). Машина имела тактовую частоту переключения 100 МГц. Сложение с плавающей точкой производилось за 1.5 мкс, умножение - 2.7 мкс. CDC-6600 начала выпускаться с 1964 г. В ней были основной процессор и десять периферийных процессоров ввода-вывода. Производительность ее -3 млн.оп/с. В СССР второе поколение больших машин начинается с ЭВМ «Раздан» (1960 г.). Затем выпускались БЭСМ-2,3,4, М220, М222 - они соблюдали программную преемственность и обладали чертами ЭВМ третьего поколения. Завершением этой линии стала оригинальная по архитектуре ЭВМ БЭСМ-6, разработанная под руководством С.А. Лебедева. В ней было 60 тыс. транзисторов и 200 тыс. диодов, производительность - 1 млн. оп/с. Серийный выпуск ее начался в 1967 г. БЭСМ-6 обладала чертами ЭВМ третьего поколения -многопрограммный режим работы, организация виртуальной памяти, конвейерный принцип выполнения операций. Она была особенно популярной среди научных учреждений. Было выпущено 350 таких машин. На основе БЭСМ-6 создавались центры коллективного пользования, она успешно эксплуатировалась в центре управления полетами космических кораблей. Проработали БЭСМ-6 до середины 1980-х годов. Другая линия отечественных машин - Минск-2 (1963 г.), затем Минск-22 и Минск-32 (1968 г.).

Последняя работала в многопрограммном режиме (до 4-х программ) имела символьную обработку, широкую связь с внешними устройствами, возможность комплексирования нескольких ЭВМ. На ЭВМ Минск-32 были реализованы первые большие АСУ, что обеспечило достаточно долгую жизнь этого семейства. В 1964 г. в Пензе было организовано серийное производство семейства Урал (Урал-11, Урал-14 (1965), Урал-16 (1967)). Они имели развитую систему прерываний, защиту памяти, развитое программное обеспечение. На основе Урал-14 была организована первая в Томске АСУП на Радиотехническом заводе. В 60-70 годы XX в. выпускались малые ЭВМ - «Проминь», «Наири», «Мир», управляющая машина «Днепр» и другие. Второе поколение ЭВМ характеризуется целым рядом прогрессивных архитектурных решений. В первую очередь это касается совмещения работы центрального процессора по обработке данных и каналов ввода-вывода по передаче данных на внешние устройства, а также распараллеливания операций выборки команд И данных из оперативной памяти. На ЭВМ первого поколения программы составлялись в машинных кодах. Второе поколение внесло существенный вклад в создание программного обеспечения для автоматизации программирования. Появились автокоды и ассемблеры - средства символического кодирования машинных команд. Они повысили уровень общения с ЭВМ, но были привязаны к конкретной ЭВМ. Программа, составленная для одной ЭВМ, не могла выполняться на другой. Конец 1950-х годов характеризуется началом эры автоматизации программирования. Были созданы машинно-независимые языки программирования. Первым был Фортран, затем появились Алгол, Кобол и другие языки. Дальнейшим развитием программной составляющей вычислительной техники во втором поколении было создание библиотек стандартных программ различного назначения.

Третье поколение - интегральные микросхемы

Третье поколение связывается с появлением ЭВМ с элементной базой на интегральных схемах (ИС). На одном квадратном миллиметре ИС оказалось возможным размещать сотни и тысячи логических элементов. Технология ИС начала свое триумфальное шествие в 1959 г., захватывая все новые разделы современной электроники и, в первую очередь, вычислительную технику. ЭВМ третьего поколения образуют серии моделей, программно совместимых снизу вверх и обладающих возрастающими от модели к модели возможностями. Модели семейства могли отличаться своими аппаратными средствами, но имели одну и ту же систему команд.

ЭВМ общего назначения

Первой такой серией была IBM/360, выпуск которой начат в США в 1964 г., а к 1970 году серия включала 11 моделей. Все ЭВМ серии работают в многопрограммном режиме и имеют развитую номенклатуру внешних устройств (магнитные диски, дисплеи, графопостроители, удаленные абонентские пункты). ВУ управляются каналами (спецпроцессорами ввода-вывода). С 1970 г. выпускается улучшенная серия IBM/370 с виртуальной памятью. IBM до сих пор развивает эту линию ЭВМ, в 1990 г. начат выпуск серии Enterprise System Architecture/390 (ESA/390). В ней используются микропроцессоры, оптические каналы ввода-вывода. Новые средства для построения распределенных многомашинных и многопроцессорных комплексов позволяют объединять до 32 ЭВМ в единую вычислительную систему. Данная серия оказала большое влияние на развитие ЭВМ общего назначения во всех странах в качестве стандарта для многих проектных решений.

В СССР и других странах СЭВ с 1972 г. было начато производство Единой серии ЭВМ (ЕС ЭВМ), копирующих серию IBM/360,370 (Ряд-1,2,3). К 1990 г. в СССР эксплуатировалось 15 тысяч ЕС ЭВМ. Они использовались в основном в АСУ предприятиями и отраслями промышленности, а также в учебных заведениях. К сожалению, с развалом СССР и СЭВ производство ЕС ЭВМ прекратилось. Они стали считаться морально устаревшими по сравнению с персональными компьютерами, даже новые ЭВМ были демонтированы, хотя в США машины этого типа еще успешно работают. Кроме стран СЭВ, семейство IВМ-360,370 копировали и другие страны: Англия (System-4), Германия (Siemens), Голландия (Philips), Япония. Это обеспечило огромную живучесть семейства IВМ-360,370. В странах СЭВ они выпускались вплоть до 1990-х годов. В ЭВМ третьего поколения значительно более мощным становится программное обеспечение. Операционная система становится неотъемлемой частью ЭВМ. Появляются развитые системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизированного проектирования (САПР) различного назначения; совершенствуются автоматизированные системы управления (АСУ); большое внимание уделяется созданию пакетов прикладных программ (ПГШ) для разных применений. По-прежнему появляются новые и развиваются существующие языки программирования, количество которых доходит до 3000. Семейство мини-ЭВМ. Мини-ЭВМ появились в середине 1960-х годов. Считается, что первой мини-ЭВМ была 12-разрядная ЭВМ PDP-5 (Program Data Processor), созданная фирмой DEC (Digital Equipment Corporation). Она была спроектирована для управления ядерным реактором. Линия мини-ЭВМ предназначалась для управления технологическими процессами. Для управления не нужна высокая точность, поэтому размер слова в ней короче, а значит, ЭВМ получается проще и дешевле. Усовершенствованная PDP-8 имела 16-разрядное слово. Она выпускалась в СССР под названием «Саратов» в начале 1970-х годов. В начале 1970-х годов создаются семейства программно-совместимых мини-ЭВМ: PDP-11 (DEC), HP-2100 (Hewlett Packard) и др. Они обладали низкой стоимостью, высокой производительностью и простым программированием. В них использовались большие интегральные схемы (БИС). В 1974 г.

СЭВ принял решение о выпуске семейства малых ЭВМ (СМ ЭВМ). Выпускались мини-ЭВМ: СМ-1, СМ-2 (копия Hewlett Packard); СМ-3, СМ-4 (копия PDP-11). Другое министерство выпускало ЭВМ семейства «Электроника» (Электроника-60, Электроника-100, Электроника-125). Далее была создана вторая очередь: СМ-1420, Электроника-85, Электроника-79. В дальнейшем фирма DEC начала выпускать супермини-ЭВМ линии VAX (Virtual Address extended) с 32-разрядным словом. В 1994 г. фирма анонсировала новый микропроцессор Alpha, содержащий несколько 64-разрядных АЛУ). Он явился основой создания новой линии мини-ЭВМ Alpha, выпускаемых в настоящее время.

Четвертое поколение - СБИС и персональные компьютеры

В отличие от машин первых трех поколений, ЭВМ четвертого поколения правильнее характеризовать тремя основными показателями: элементной базой, персональным характером использования и нетрадиционной архитектурой. Конструктивно-технологической основой вычислительной техники четвертого поколения становятся большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) ИС, созданные в 70-80-х годах XX века. Такие ИС содержат уже десятки и сотни тысяч транзисторов на одном кристалле (чипе). Были достигнуты большие успехи в деле миниатюризации, повышения производительности и надежности, позволив создавать микро- и мини-ЭВМ, превосходящие по возможностям средние и большие ЭВМ предыдущего поколения при значительно меньшей стоимости. Феномен персонального компьютера связан с разработкой универсального микропроцессора (МП) на одном кристалле. Первый микропроцессор Intel-4004 (4-разрядный) был создан в 1971 г. и содержал 2250 элементов, а первый универсальный микропроцессор Intel-8080 (8-разрядный, 75 команд, адресация 64 К памяти), явившийся стандартом микрокомпьютерной технологии и созданный в 1974 г., содержал уже 4500 элементов. В 1979 г. выпускается 16-битный МП Motorolla-68000 с 70000 элементами, а в 1981 г. - первый 32-разрядный МП Hewlett Packard с 450 тысячами элементов. В настоящее время промышленностью освоены 64- и даже 128-разрядные универсальные микропроцессоры. Прогресс микропроцессорной техники успешно продолжается. В январе 1975 г. фирма MITS рекламировала микропроцессорный набор Альтаир 8800, созданный Э. Робертсом на основе МП 8080. Набор рассылался по почте и стоил 379 долл. Он вызвал большой интерес среди американской молодежи.

Организовался клуб любителей вычислительной техники. Для Altair-8800 П. Аллеи и У. Гейтс создали компилятор с языка Бейсик, существенно увеличив интеллектуальность первого ПК. Впоследствии они основали знаменитую теперь фирму Microsoft. Создателями первого ПК были два молодых американских хакера Стив Джобс и Стив Возняк. Летом 1976 г. они соорудили из деталей, вынесенных с фирмы, на которой работали, домашний компьютер Apple. В качестве дисплея использовался обычный телевизор. Они организовали форму, в которой через год был изготовлен ПК Apple-2 весом 5 кг. Он имел цветную графику, содержал минимум микросхем и был безукоризненно выполнен. За один год корпорация дала продукции на 2.7 млн. долларов. К 1980 г. корпорация Apple имела годовой доход в 117 млн. долларов. В 1981 г. фирма IBM, во избежание потери массового рынка, начинает выпуск ныне широко известных серий ПК IBM PC/XT/AT и PS-2. Производство ПК становится на промышленную основу, архитектура ПК унифицируется. В настоящее время производством различного типа ПК занимается большое число фирм во всем мире. За короткий период существования ПК к вычислительной технике приобщилось больше людей, чем за все годы от Бэббиджа до изобретения ИС, их число даже трудно оценить. Лавинообразно растет программное обеспечение ПК.

Для огромной армии неквалифицированных пользователей требуются дружественные программы, которые руководят работой пользователя. Разработкой программного обеспечения занимается большое число специализированных организаций. Изменились средства общения с компьютером -- от фраз командного языка перешли к визуальному выбору в окнах меню. Улучшились изобразительные возможности графических дисплеев, используется звук. ПК изменили мир.

Супер-ЭВМ

Необходимость решения сложных задач, требующих большого времени на традиционных ЭВМ, обусловила поиск путей построения вычислительных систем других классов (нетрадиционной архитектуры). К таким задачам относятся многие задачи моделирования ядерных реакций, математической физики, космологии и моделирования сложных систем. Микроэлектроника позволила довести частоту переключения логических элементов до 1000 МГц, но возможности такого пути практически исчерпаны. Луч света за 1 не (10-9 с) проходит только 30 см пути, а это сравнимо с размерами самой ЭВМ. Основной путь повышения производительности ЭВМ - переход на многопроцессорные вычислительные системы и параллельные алгоритмы вычислений. В настоящее время к классу супер-ЭВМ относят модели, имеющие среднее быстродействие не менее 20 миллионов оп/с (20 мегафлопс) над числами с плавающей точкой. Первой моделью с такой производительностью явилась во многом уникальная ЭВМ ILLIAC-IV, созданная в 1975 г. в США и имеющая максимальное быстродействие порядка 50 мегафлопс. Большой вклад в развитие супер-ЭВМ внес С. Крей. Созданная им фирма Cray Researh начиная с 1975 г. выпускает серию ЭВМ Cray, которая непрерывно совершенствуется. Модель Cray MP, использующая новую архитектуру на 64 процессорах и элементную базу на новых кремниевых микросхемах, обладает пиковой производительностью 50 гигафлопс. Фирма IBM также ведет работы по созданию супер-ЭВМ. Интенсивно совершенствуется их архитектура. В 1995 году в США принята программа ускоренной стратегической компьютерной инициативы (ASCI), рассчитанная на десять лет. Она подтверждает тенденцию к созданию суперкомпьютеров на основе микропроцессоров, массовый выпуск которых освоен промышленностью. Доминирующим направлением стало объединение в одной системе десятков и сотен микропроцессорных модулей. Существующие параллельные вычислительные системы образуют три типа супер-ЭВМ. Симметричные мультипроцессоры (SMP) содержат совокупность процессоров, использующих общую память и внешние устройства. Кластерная система, по сути, состоит из набора однопроцессорных ЭВМ, соединенных в локальную сеть и управляемой одной операционной системой. Массивно-параллельные системы (МРР), в отличие от кластеров, имеют специализированные каналы связи, причем передача данных совмещается с вычислениями.

вычислительный электронный полупроводниковый микросхема

Среди отечественных проектов супер-ЭВМ можно выделить работы по созданию серии ЭВМ Эльбрус. Эти работы были начаты С.А. Лебедевым и продолжены Б.А. Бабаяном. Супер-ЭВМ Эльбрус-1 была создана в 1979 году по оригинальной архитектуре. Она включала в себя от одного до десяти процессоров и обладала быстродействием 10 млн. оп/с. Модель Эль-брус-3 (1990 г.) имела 16 процессоров и общее быстродействие более 1 млрд. оп/с. Эльбрусы -- мощные машины, они используются до сих пор в военном ведомстве, в центре управления космическими полетами, в ядерных центрах в Арзамасе и Челябинске. По некоторым сведениям, микропроцессор Pentium взял многое от архитектуры Эльбруса. Работы по созданию вычислительных комплексов на основе мини-ЭВМ велись в нашей стране под руководством академика И.В. Прангашвили. В 1980 г. создана матричная суперЭВМ ПС-2000, которая содержала 64 процессора и одну управляющую мини-ЭВМ. Каждый процессорный элемент -- универсальная машина. Она имела набор быстрых регистров и память до 16 К. Производительность одного процессора - 3 млн. оп./с. В максимальной конфигурации ПС-2000 достигает на коротких операциях скорости до 200 млн. оп/с, а средняя ее производительность 5-10 млн. оп/с. Три таких ЭВМ работали в 1984-1988 гг. в Томске в СКБ сейсмического программного обеспечения. На них обрабатывались результаты сейсмического зондирования для поиска полезных ископаемых. К сожалению, из-за сложности разработки и реализации проектов, требующих интенсивных фундаментальных исследований в области вычислительных наук, технологии высокой культуры производства электронных элементов и серьезных финансовых затрат, работы по созданию супер-ЭВМ в СНГ практически прекращены. Но они не заглохли. Б.А. Бабаян сотрудничает с американской фирмой Sun Microsystems по разработке современных микропроцессорных архитектур и созданию сверхоптимального компилятора для эффективного использования программного параллелизма. Стоимость супер-ЭВМ до сих пор остается высокой, и они выпускаются единичными экземплярами с конфигурацией, наилучшим способом приспособленной для решения необходимого класса задач. Темпы роста производства супер-ЭВМ по стоимости примерно в 4,5 раза превышают средние темпы развития ЭВМ в целом и составляют более 42% в год [3]. Спектр супер-ЭВМ постоянно расширяется, два раза в год публикуется список пятисот лучших моделей. По состоянию на ноябрь 2003 г. первое место занимает суперкомпьютер Earth Simulator фирмы NEC, установленный в центре моделирования земных процессов в городе Иокогама (Япония). Он имеет 5120 векторных процессоров (640 узлов по 8 процессоров). Максимальная производительность его -- 40 терафлопс (тера = 10 |2). Суммарная оперативная память ЭВМ - 10 терабайт. Суперкомпьютер занимает отдельное четырехэтажное здание размером 50x65 м2 и используется для моделирования природных процессов в земной коре, океане и атмосфере. Лучший российский суперкомпьютер - МВС 1000М занимает скромное 189 место в списке пятисот лучших моделей. Он содержит 768 процессоров Alpha 21264, оперативная память -768 гигабайт, пиковая производительность - 1 терафлопс.

Размещено на Allbest.ru