Состояние и тенденции развития ЭВМ

1. История развития компьютерной техники. Поколения ЭВМ

Компьютеры стали необходимостью. Они везде: в домах, на заводах, в офисах и автомобилях… Мы порой даже не задумываемся, насколько история развития компьютерной техники многогранна и богата историческими датами. На сегодняшний день различают четыре поколения компьютеров. Первое поколение представляло собой громоздкие (по нынешним меркам громадные) машины. Если не считать труд немецкого инженера Цузе (а именно он создал первую ЭВМ в 1941 году, но труды были утеряны), то родоначальником нынешних компьютеров является «Марк-1» (1943 г.). Эта машина требовала огромный зал и состояла из 800 км проводов, более 3300 тыс. реле и потребляла для вычислений сотни киловатт электроэнергии. Использовались эти компьютеры для военных расчетов. Но стоит отметить, что история компьютерной техники поколения I началось не с «Марк I». Дата ее начала зафиксирована в 1946;м году. Тогда работа компьютера стала основываться на электронно-вакуумных лампах. Именно такую конструкцию имел ЭНИАК. По размерам он был практический как первый «Марк», но отличался большей производительностью (более чем в тысячу раз). Машина оказалась интересной, мощной, новаторской, но непрактичной. Для проведения одного расчета требовалось в течение нескольких часов в определенном порядке проводить коммутацию кабелей. Устройство простаивало, а развитие компьютерной техники продолжалось и появилось новое понятие — «элементная база», которая могла обеспечивать функционирование ЭВМ. База компьютеров I поколения состояла из конденсаторов, резисторов и электронно-вакуумных ламп. История компьютерной техники отечественного производства начинается в 1951 г., благодаря С. А. Лебедеву. Началось все с МЭСМ, которая после доработок стала БЭСМ-2. Немного позже в СССР была создана самая мощная в Европе ЭВМ с именем М-20, которая довольно часто выходила их строя и требовала для обслуживания немалый штат инженеров. Второе поколение компьютеров началось с изобретения и использования первого транзистора. С этого момента история развития компьютерной техники начала набирать совершенно иную скорость движения. База ЭВМ стала основываться на полупроводниковых элементах. Транзистор был в сорок раз производительней электронной лампы, компактней и дешевле. Стало возможным использование печатных плат. В 1965 г. компания Digital Equipment представила компактный (!) компьютер, размеры которого были немногим меньше вместительного холодильника. Называлось это чудо PDP-8 и стоил 20 тыс. американских долларов. Пока портативный PDP-8 удивляет всех своей производительностью, одновременно берет свое начало развитие компьютеров третьего поколения (конец 1960;х — 70-е года). Это связано с разработкой и испытаниями первой интегральной схемы (Джон Килбри 1958 г.). На пластине кремния располагались транзисторы и их соединения. Производительность — от сотен тысяч до миллионов операций в секунду. В 1968 выходит в свет первая ЭВМ на интегральных схемах — IBM-360. В 1970 г. компания Intel начинает реализацию интегральных схем памяти. С каждым годом производительность деталей увеличивалась не менее чем в два раза, при этом площадь схем либо не изменялась, либо становилась меньше. Это дало старт развитию четвертого поколения компьютеров. В 1970 г. фирма Intel (Маршиан Эдвард Хофф) конструирует первый аналог центрального процессора большого компьютера. В 1970 г. он выходит в продажу под названием Intel-4004. При размерах 3 см он был производительнее трех ЭВМ «Марк II». Развитие микропроцессоров шло довольно быстро, что позволило создавать практичные вычислительные машины, которые использовались для набора текстов, вычислений и упрощения бухучета. Благодаря таким людям как С. Джобс и В. Возняк (основатели «Apple Computer») история развития компьютерной техники стала приближать эти устройства к простым пользователям. И теперь обычные люди могли сами наблюдать то, как быстро растет производительность, появляются новые программы и многое другое. К концу 70-х г. г. распространение персональных компьютеров получило невероятно большой оборот. Благодаря активным действиям и ловким манипуляциям с коммерческими интересами больших корпораций, молодой американец Билл Гейтс с успехом отвоевывает для компании Microsoft право на разработку программного обеспечения. Успешные сделки и своевременное патентование программ, включая Windows, сделали Microsoft на немалый срок признанным лидером в мире ИТ-технологий, устранив главного соперника — компанию Apple. Четвертое поколение развивается и по сей день. История развития компьютерной техники продолжается. Современные компьютеры отличаются лишь тем, что для обрабатывания информации используется одновременно несколько процессоров.

2. Классификация ЭВМ по принципу действия. Большие, малые ЭВМ, персональные компьютеры, суперЭВМ, серверы. Переносные компьютеры.

По принципу действия (критерием деления вычислительных машин является форма представления информации, с которой они работают):

• · аналоговые вычислительные машины (АВМ) — вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной форме, т. е. виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения); в этом случае величина напряжения является аналогом значения некоторой измеряемой переменной. Например, ввод числа 19.42 при масштабе 0.1 эквивалентен подаче на вход напряжения в 1.942 В;
• · цифровые вычислительные машины (ЦВМ) — вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее в цифровой, форме — в виде нескольких различных напряжений, эквивалентных числу единиц в представляемом значении переменной;
• · гибридные вычислительные машины (ГВМ) — вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме.

АВМ просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них нетрудоемкое, скорость решения изменяется по желанию оператора (больше, чем у ЦВМ), но точность решения очень низкая (относительная погрешность 2−5%). На АВМ решают математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не содержащие сложной логики.

ЦВМ получили наиболее широкое распространение, именно их подразумевают, когда говорят про ЭВМ.

ГВМ целесообразно использовать для управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированнные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Характерными чертами универсальных ЭВМ являются:

• * высокая производительность;
• * разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при

большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

* обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;

• * большая емкость оперативной памяти;
• * развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.

К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на сверхбольшие (суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ).

Функциональные возможности ЭВМ обусловливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:

• * быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;
• * разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;
• * номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;
• * номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;
• * типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой (внутримашинного интерфейса);
• * способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);
• * типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;
• * наличие и функциональные возможности программного обеспечения;
• * способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ);
• * система и структура машинных команд;
• * возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;
• * эксплуатационная надежность ЭВМ;
• * коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Некоторые сравнительные параметры названных классов современных ЭВМ показаны в табл. 1.

Таблица 1. Сравнительные параметры классов современных ЭВМ

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Примечание. Первая большая ЭВМ ЭНИАК (Electronic Numerical Integrator and Computer) была создана в 1946 г. (в 1996 г. отмечалось 50-летие создания первой ЭВМ). Эта машина имела массу более 50 т, быстродействие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел; занимала огромный зал площадью около 100 кв.м.

Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.