Эпоха интегральных схем
Достижения в производстве полупроводниковых приборов, освоение групповых методов изготовления диодов и транзисторов, разработка фотолитографических и диффузионных методов и процессов заложили фундамент планарно-диффузионной технологии. Применение планарно-диффузионной технологии позволило создать транзисторы с частотой переключения 10 ГГц.
Потребности авиационной и космической техники наметили общую тенденцию развития элементной базы ЭВМ, а именно тенденцию уменьшения габаритов, массы, потребляемой мощности, повышения надежности. Все это, в свою очередь, определило потребности вычислительной техники, для которой характерно использование большого количества однотипных логических элементов, и послужило основой для разработки и внедрения в производство методов так называемой интегральной технологии. Эти методы позволили перейти при конструировании вычислительных систем от отдельных диодов и транзисторов к интегральным схемам и от второго поколения ЭВМ к третьему.
В декабре 1961 г. специальный комитет фирмы IBM, изучив техническую политику фирмы в области разработки вычислительных машин, представил руководству план-отчет создания серии программно и аппаратно совместимого семейства ЭВМ на микроэлектронной основе, охватывающего диапазон производительности между ЭВМ IBM-1401 и IBM-7090. В плане, кроме того, указывалось, что семейство машин должно быть универсальным с точки зрения его использования в различных областях научного и коммерческого характера. Машины этого семейства должны были иметь общий стандартный интерфейс с периферийными устройствами, с линиями связи.
Работу по реализации плана возглавили два ведущих разработчика фирмы Д. Амдал и Г. Блау. Работая с проблемой производства логических схем, они предложили при создании семейства использовать гибридные микросхемы, так как были убеждены, что монолитные интегральные схемы не будут еще выпускаться в достаточном количестве. Для производства гибридных микросхем в 1963 г. при фирме было открыто отдельное предприятие.
В начале апреля 1964 г. фирма IBM объявила о создании шести моделей своего семейства IBM-360 («System-360»). Президент фирмы Г. Уотсон назвал это событие «самым важным в истории фирмы», практика окончательно закрепила этот факт как знаменательный в развитии вычислительной техники. Семейство машин IBM-360 возвестило появление компьютеров третьего поколения.
Кроме моделей 30, 40, 50, 60, 62, 70, фирма выпустила 19 новых систем памяти и 26 устройств ввода-вывода. IBM-360 — это первое семейство, в котором применялось микропрограммирование. Благодаря этому новшеству машины семейства, несколько отличающиеся своими аппаратными средствами, могли работать с одним и тем же составом команд. Семейство перекрывает производительность от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов операций в секунду.
За 6 лет существования семейства фирма IBM выпустила более 33 тыс. машин. Затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы обошлись фирме примерно в полмиллиарда доллров (для сравнения: разработка ЭВМ ENIAC стоила около 600 тыс. долларов) 12, с. 142.
Так же как при создании аппаратных средств семейства, у создателей IBM-360 встретились трудности при разработке программных средств операционной системы, которая должна быть единой для всех моделей. Разработка программных средств операционной системы затянулась, и фирма выпустила для малых и средних моделей усеченный ее вариант под названием DOS (дисковая операционная система), исключив 31 функцию. А затем была выпущена мощная операционная система OS/360 для больших машин.
До конца 60-х гг. фирма IBM в общей сложности выпустила более 20 моделей семейства IBM-360. Модель 85 была первой машиной, в которой для повышения скорости доступа к памяти была применена КЭШ — память, а модель 195 — первая машина, где применялись монолитные интегральные схемы. КЭШ — от французского слова cache — тайник.
Создание моделей семейства IBM-360 оказало огромное влияние на весь ход развития вычислительной техники. Структура и архитектура этих вычислительных машин с теми или другими изменениями в элементной базе были воспроизведены в ряде семейств ЭВМ многих стран.
В конце 1970 г. фирма IBM стала выпускать новое семейство вычислительных машин IBM-370, которое сохранило программную преемственность с IBM-360, однако имело и много изменений. Фирма IBM назвала это семейство машинами 3,5-го поколения (как бы промежуточными между машинами третьего и четвертого поколений). Модели семейства IBM-370 были построены целиком на монолитных интегральных схемах. Структурные изменения связаны с включением в состав моделей памяти КЭШ-типа, блока мультиплексных каналов, появлением адаптеров интегрированных файлов, наличием виртуальной памяти 19, c. 188.
Модель 145 семейства IBM-370 была первой ЭВМ, в основной памяти которой применялись исключительно интегральные схемы, что означало закат ферритовой памяти. Фирма IBM анонсировала в разное время более десятка моделей семейства.
Модели семейства IBM-370 имели еще одно преимущество по сравнению с семейством IBM-360: из них можно было комплектовать многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы, работающие на общее поле оперативной памяти или на общее поле внешней памяти и каналов связи 19, c. 189.
Почти одновременно с фирмой IBM ЭВМ третьего поколения начали выпускать в США и другие фирмы. В 1966—1967 гг. серии вычислительных машин третьего поколения были выпущены фирмами Англии, ФРГ и Японии. В Англии фирмой ICL был освоен выпуск семейства машин «System 4» программно преемственных с IBM-360. Было выпущено пять моделей, которые охватывают диапазон производительности от 15 до 300 тыс. оп/с. В ФРГ были выпущены машины серии 4004, разработанные фирмой Siemens, которые полностью копировали модели семейства «Spectra-70», а в Японии — машины серии «Hytac-8000», разработанные фирмой Hytachi, которые являлись модификацией семейства «Spectra-70». Другая японская фирма Fujtsu в 1968 г. объявила о создании серии ЭВМ «FACOM-230». Машины этой серии охватывали диапазон от малой модели с номером 10 до мультипрограммной модели 60.
В Голландии фирма Philips Gloeilampenfabriken, образовавшая отделение по выпуску вычислительных машин, в 1968 г. выпустила серию ЭВМ третьего поколения Р1000 модели 30, 40, 50, сравнимые с моделями IBM-360 12, C. 149.
Придавая огромное значение проблемам создания ЭВМ третьего поколения, в декабре 1969 г. правительства НРБ, ВНР, ГДР, ПНР, СССР и ЧССР подписали многостороннее Соглашение о сотрудничестве в области разработки, производства и применения средств вычислительной техники. (В 1972 г. к этому соглашению присоединилась республика Куба, в 1973 г. — СРР.) Для реализации целей Соглашения и осуществления руководства была организована Межправительственная комиссия, состоящая из уполномоченных представителей правительств сотрудничающих стран.
Созданный в этот же год Совет главных конструкторов взял на себя функции планирования, выработки технической политики, разработки стандартов, контроля за ходом проектирования и изготовления.
На выставке «ЕС ЭВМ-73» (1973 г.) были показаны первые результаты этого сотрудничества — шесть моделей ЭВМ третьего поколения, несколько десятков типов периферийных устройств, четыре операционных системы ЕС ЭВМ первой очереди. Все это было разработано менее чем на четыре года 24, c.34.
Модели первой очереди «Ряд-1» Единой системы ЭВМ включали: ЕС-1010 (ВНР), ЕС-1020 (СССР, НРБ), ЕС-1021 (ЧССР), ЕС-1030 (СССР, ПНР), ЕС-1040 (ГДР), ЕС-1050 (СССР) с диапазоном производительности от 3 до 500 тыс. оп/с. Модели первой очереди имели развитую логическую структуру и систему команд, программную совместимость и стандартные средства для подключения внешних устройств, современную конструктивно-технологическую базу и ЗУ высокого быстродействия, возможность создания на их основе многомашинных и многопроцессорных систем, широкую номенклатуру периферийных устройств, обеспечивающих работу ЭВМ во всех существующих режимах использования, включая режим телеобработки 23, c. 42.
С 1975 г. начался выпуск модернизированных моделей первой очереди ЕС-1012, ЕС-1022, ЕС-1032, ЕС-1033, которые имели лучшее отношение производительность/стоимость, в них использовалась новая серия логических интегральных схем и схем полупроводниковой памяти. А годом раньше начались работы над второй очередью ЕС ЭВМ.
К этому времени сотрудничество ученых и специалистов Соглашения настолько окрепло, что стало возможным формирование программы «Ряд-2», полностью базирующейся на стандартах ЕС ЭВМ и не учитывающей специфики технической ориентации некоторых стран, как это было при формировании программы «Ряд-1».
Программа разработки второй очереди единой системы ЭВМ включала создание около 150 типов периферийных устройств и семи моделей ЕС ЭВМ: ЕС-1035, ЕС-1060, ЕС-1065 (СССР), ЕС-1025 (ЧССР), ЕС-1055 (ГДР), ЕС-1045 (ПНР), ЕС-1015 (ВНР). С 1977 г. началось серийное производство этих моделей 24.
Мощная модель второй очереди ЕС-1065 представляет собой многопроцессорную систему, состоящую из четырех процессоров, работающих на общее поле памяти емкостью 16 Мбайт. Машина выполнена на интегральных схемах расширенной серии ИС-500 и имеет производительность 4—5 млн. оп/с, сравнимую с аналогичными зарубежными мощными ЭВМ третьего поколения 24, c. 36.
В рамках программы Ряд-2 младших моделей ЕС-1015, ЕС-1025, ЕС-1035 были созданы две новые операционные системы — ДОС-3 и ОС 6.0. В ОС 6.0 по сравнению с ранними разработками имеется ряд новых дополнительных возможностей: обеспечена работа механизма виртуальной памяти, использованы новые команды, средства регистрации программных событий, новая служба времени, введен монитор динамической отладки, существенно упростивший отладку системных программ, осуществлена динамическая реконфигурация внешних устройств, обеспечен удаленный ввод заданий с дисплея и т. д. В 1978 г. в ОС ЕС введен режим разделения на уровне управляющей программы (в ранних изданиях этот режим был реализован только с помощью прикладных программ и диалоговых трансляторов).
Завершая рассмотрение развития ЭВМ третьего поколения, необходимо подчеркнуть, что начиная с середины 60-х гг. элементная база перестала быть главным определяющим признаком поколения. Предпочтение стали отдавать архитектуре, функционально-структурной организации и программному обеспечению машин. Надо заметить в связи с этим, что в СССР первой ЭВМ на интегральных схемах в принципе была машина «Наири-3», разработанная в 1970 г. в Ереване в НИИ математических машин под руководством Г. Е. Овсепяна. Но по своей идеологии она относилась к машинам второго поколения.
Термин «архитектура ЭВМ» появился в начале 60-х гг., его предложила группа разработчиков фирмы IBM. Он предназначался для описания программных средств моделей семейства IBM-360. В настоящее время под архитектурой ЭВМ понимается совокупность объектов, наблюдаемых программистом, работающим на машинном языке, и правил манипуляции этими объектами. Структурная организация представляет собой конкретную реализацию архитектуры.
Единство архитектуры семейства машин и стало важнейшей концепцией ЭВМ третьего поколения.
В ЭВМ третьего поколения нашла свое воплощение еще одна концепция — это работа машины в режиме разделения времени. Если в машинах первого поколения основным методом использования (способом общения) был непосредственный доступ, а в машинах второго — пакетная обработка, то в ЭВМ третьего поколения основным методом использования стал режим разделения времени.
Разделение времени представляет собой наиболее развитую форму многопрограммной работы. «Оно не было следствием открытия какого-либо нового принципа, просто стало ясно, что существующие технические средства можно использовать гораздо лучше, чем до сих пор», — писал М. Уилкс. Идея разделения времени была высказана в 1959 г. англичанином К. Стрейчи. Она была использована сотрудниками Массачусетского технологического института Ф. Корбато и Р. Фано, которые летом 1963 г. ввели в эксплуатацию (на IBM-7090) первую совместимую систему разделения времени.
Исследования систем с разделением времени у нас в стране были начаты в 1966 г. в Вычислительном центре Сибирского отделения АН СССР. Был создан и реализован проект АИСТ (автоматическая информационная станция) на основе отечественных машин «Минск-22», М-220, БЭСМ-6 26, c.40.
При использовании ЭВМ третьего поколения для управления технологическими процессами в системах массового обслуживания, информационно-справочных системах нашла свое воплощение также одна из форм разделения времени — это режим реального масштаба времени, идеи которого были выдвинуты в конце 50-х гг.
С машинами третьего поколения связано еще одно значительное событие вычислительной технологии — это разработка и внедрение визуальных устройств ввода-вывода алфавитно-цифровой и графической информации с помощью электронно-лучевых трубок дисплеев, использование которых позволило достаточно просто реализовать возможности вариантного анализа.
История появления первых прототипов современных дисплеев относится к послевоенным годам. В 1948 г. Г. Фуллер, сотрудник лаборатории вычислительной техники Гарвадского университета, описал конструкцию нумероскопа. В этом приборе, работавшем под управлением ЭВМ, на экране ЭЛТ отображались цифровые данные. Почти 20 лет понадобилось для того, чтобы экранные терминалы (дисплеи) стали неотъемлемой частью ЭВМ. Дисплей принципиально изменил процесс ввода-вывода данных и упростил общение с компьютером.
В 70-х гг. благодаря появлению микропроцессоров стало возможным осуществлять буферизацию как данных, принимаемых с экранного терминала, так и данных, передаваемых ЭВМ. Благодаря этому регенерацию изображения на экране удалось реализовать средствами самого терминала. Появилась также возможность редактирования и контроля данных перед их передачей в ЭВМ, что уменьшило число ошибок.
На экране появился курсор — подвижная отметка, индицирующая подлежащий изменению символ или строку и место, куда будет внесено изменение. Экран дисплея стал цветным. Появилась возможность отображения на экране сложных графических изображений с легко перестраиваемой структурой рисунка — свойство, очень ценное для работы инженера в диалоговом режиме, а также для создания интересных компьютерных игр.
Переход к третьему поколению был наиболее революционным. Уже первые примитивные интегральные схемы перевели бистабильный элемент в кристалл. Все проблемы измерения и согласования физических характеристик приборов перешли в руки технологии, а синтез ЭВМ стал проводиться сразу на логическом уровне. Микроэлектроника, доведя до совершенства приемы прошлого и дополнив их множеством новых, создала в технологии иерархические процессы циклических групп операций.
Аркадий Петрович Частиков
«Вычислительная техника и ее применение» 1988/1
Нулевое поколение. Механические вычислители
Предпосылки к появлению компьютера формировались, наверное, с древних времен, однако нередко обзор начинают со счетной машины Блеза Паскаля, которую он сконструировал в 1642 г. Эта машина могла выполнять лишь операции сложения и вычитания. В 70-х годах того же века Готфрид Вильгельм Лейбниц построил машину, умеющую выполнять операции не только сложения и вычитания, но и умножения и деления.
В XIX веке большой вклад в будущее развитие вычислительной техники сделал Чарльз Бэббидж. Его разностная машина, хотя и умела только складывать и вычитать, зато результаты вычислений выдавливались на медной пластине (аналог средств ввода-вывода информации). В дальнейшем описанная Бэббиджем аналитическая машина должна была выполнять все четыре основные математические операции. Аналитическая машина состояла из памяти, вычислительного механизма и устройств ввода-вывода (прямо таки компьютер … только механический), а главное могла выполнять различные алгоритмы (в зависимости от того, какая перфокарта находилась в устройстве ввода). Программы для аналитической машины писала Ада Ловлейс (первый известный программист). На самом деле машина не была реализована в то время из-за технических и финансовых сложностей. Мир отставал от хода мыслей Бэббиджа.
В XX веке автоматические счетные машины конструировали Конрад Зус, Джорж Стибитс, Джон Атанасов. Машина последнего включала, можно сказать, прототип ОЗУ, а также использовала бинарную арифметику. Релейные компьютеры Говарда Айкена: «Марк I» и «Марк II» были схожи по архитектуре с аналитической машиной Бэббиджа.
Третье поколение. Компьютеры на интегральных схемах (1965-1980)
Интегральная схема представляет собой электронную схему, вытравленную на кремниевом кристалле. На такой схеме умещаются тысячи транзисторов. Следовательно, компьютеры этого поколения были вынуждены стать еще мельче, быстрее и дешевле.
Последнее свойство позволяло компьютерам проникать в различные сферы деятельности человека. Из-за этого они становились более специализиро- ванными (т.е. имелись различные вычислительные машины под различные задачи).
Появилась проблема совместимости выпускаемых моделей (программного обеспечения под них). Впервые большое внимание совместимости уделила ком- пания IBM.
Было реализовано мультипрограммирование (это когда в памяти находится несколько выполняемых программ, что дает эффект экономии ресурсов процессора).
Дальнейшее развитие миникомпьютеров (PDP-11)
Четвертое поколение. Компьютеры на больших (и сверхбольших) интегральных схемах (1980-…)
Быстродействие: сотни миллионов операций в секунду.
Появилась возможность размещать на одном кристалле не одну интегральную схему, а тысячи. Быстродействие компьютеров увеличилось значительно. Компьютеры продолжали дешеветь и теперь их покупали даже отдельные личности, что ознаменовало так называемую эру персональных компьютеров. Но отдельная личность чаще всего не была профессиональным программистом. Следовательно, потребовалось развитие программного обеспечения, чтобы личность могла использовать компьютер в соответствие со своей фантазией.
В конце 70-х – начале 80-х популярностью пользовался компьютера Apple, разработанный Стивом Джобсом и Стивом Возняком. Позднее в массовое производство был запущен персональный компьютер IBM PC на процессоре Intel.
Позднее появились суперскалярные процессоры, способные выполнять множество команд одновременно, а также 64-разрядные компьютеры.
Пятое поколение ЭВМ
Сюда относят неудавшийся проект Японии (хорошо описан в Википедии). Другие источники относят к пятому поколению вычислительных машин так называемые невидимые компьютеры (микроконтроллеры, встраиваемые в бытовую технику, машины и др.) или карманные компьютеры.
Также существует мнение, что к пятому поколению следует относить компьютеры с двухядерными процессорами. С этой точки зрения пятое поколение началось примерно с 2005 года.
Типы компьютеров: персональные, микроконтроллеры, серверы, мейн- фреймы и др.
Персональные компьютеры, знакомые большинству людей, являются далеко не единственным типом вычислительных машин. Обычно компьютеры классифицируют по производительности и способу использования.
Персональные компьютеры (ПК)
Различают стационарные и портативные (ноутбуки).
Для персональных компьютеров обязательно наличие монитора и ряда других периферийных устройств. В блоке ПК находятся материнская (системная) плата, процессор, различная память (ОЗУ, жесткий диск), устройства ввода-вывода, интерфейсы периферийных устройств и др.
ПК хорошо расширяемы. К ним легко подключаются различные дополнительные устройства. На персональные компьютеры можно устанавливать широкий спектр различного программного обеспечения.
Игровые компьютеры
По сравнению с персональными вычислительными машинами у игровых компьютеров увеличены мультимедийные возможности (звук, видео, интерактивность), но существуют ограничения на объем программного обеспечения, а также возможность дальнейшего расширения (подключения новых устройств). У игровых компьютеров не предполагается наличие монитора и жесткого диска.
В качестве примера игрового компьютера можно привести Sony Play Station.
Цены на игровые компьютеры обычно ниже, чем на персональные.
Карманные компьютеры
Похожи на персональные компьютеры, но меньше их по размеру (представляют собой «наладонники»). Обычно используются как электронные ежедневники или для чтения электронных книг.
Микроконтроллеры
Микроконтроллеры устанавливаются на различные бытовые и технические устройства (сотовые телефоны, стиральные машины, принтеры, телевизоры, автомобили и др.). Они предоставляют человеку возможность управления устройством.
Микроконтроллер, не смотря на свои размеры, является полноценным вычислительным устройством, т.к. имеет память, процессор и средства ввода-вывода. Программа для микроконтроллера обычно устанавливается его производителем, при этом отсутствует возможность ее изменения в дальнейшем.
Микроконтроллеры производятся в огромных количествах (большими партиями).
Серверы
Серверы отличаются от ПК лишь своей мощностью (серверы мощнее) и необязательностью присутствия монитора и др. периферийных устройств. Используются в сетях.
У серверов обычно увеличены объемы памяти (ОЗУ и жесткий диск) и установлены высокоскоростные сетевые интерфейсы. На сервере хранят данные и программы (выделяют файловый сервер и сервер приложений). Процессор сервера обычно занимается управлением пользователями и правами для доступа к данным. Вычисления производятся на компьютерах-клиентах.
Мейнфреймы
Мейнфреймы представляют собой большие компьютеры (с комнату), производящие централизованную обработку данных больших объемов. Пользователи получают доступ через терминалы (клавиатура+монитор) и/или ПК, в основном предназначенные для ввода и вывода информации. Количество подключаемых терминалов обычно составляет несколько сотен.
Мейнфреймы характеризуются высокой надежностью.
Мощность мейнфреймов хоть и больше чем у ПК и серверов, но не намного. Зато они обладают высокой скоростью процессов ввода-вывода и имеют увеличенный размер постоянной памяти.
Мейнфреймы достаточно дорого стоят (в пределах миллиона долларов). Используются в больших организациях (банки, аэропорты, правительственные учреждения).
Суперкомпьютеры
Суперкомпьютеры – это очень мощные системы (мощный процессор), которые зародились в 60-х годах. Используются для решения задач, которые требуют сложных вычислений больших объемов (например, изучение космоса, составление прогноза погоды). Стоят десятки миллионов долларов.
Рабочие станции
Рабочие станции, как и персональные компьютеры, предназначены для одного пользователя, однако, более мощные и могут выполнять более сложные операции.
