Поколение ЭВМ: от ламповых “монстров” к интегральным микросхемам
Немногим более 50 лет прошло с тех пор, как появилась первая электронная вычислительная машина. За этот короткий для развития общества период сменилось несколько поколений вычислительных машин, а первые ЭВМ сегодня являются музейной редкостью. Сама история развития вычислительной техники представляет немалый интерес, показывая тесную взаимосвязь математики с физикой (прежде всего с физикой твердого тела, полупроводников, электроникой) и современной технологией, уровнем развития которой во многом определяется прогресс в производстве средств вычислительной техники.
Электронно-вычислительные машины у нас в стране принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений — за ее короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения. Что же является определяющим признаком при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению? Это прежде всего их элементная база (из каких в основном элементов они построены), и такие важные характеристики, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Конечно же, деление ЭВМ на поколения в определенной мере условно. Существует немало моделей, которые по одним признакам относятся к одному, а по другим — к другому поколению. И все же, несмотря на эту условность поколения ЭВМ можно считать качественными скачками в развитии электронно-вычислительной техники.
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
| kompyutery_5-ogo_pokoleniya.pptx | 1.41 МБ |
Предварительный просмотр:
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Первое поколение — электронные лампы (1945-1955)
Стимулом к созданию электронного компьютера стала Вторая мировая война. В начале войны германские подводные лодки разрушали британские корабли. Германские адмиралы посылали на подводные лодки по радио команды, и хотя англичане могли перехватывать эти команды, проблема была в том, что радиограммы были закодированы с помощью прибора под названием ENIGMA, предшественник которого был спроектирован изобретателем-дилетантом и бывшим президентом США Томасом Джефферсоном.
В начале войны англичанам удалось приобрести ENIGMA у поляков, которые, в свою очередь, украли ее у немцев. Однако, чтобы расшифровать закодированное послание, требовалось огромное количество вычислений, и их нужно было произвести сразу после перехвата радиограммы. Поэтому британское правительство основало секретную лабораторию для создания электронного компьютера под названием COLOSSUS. В создании этой машины принимал участие знаменитый британский математик Алан Тьюринг. COLOSSUS работал уже в 1943 году, но, так как британское правительство полностью контролировало этот проект и рассматривало его как военную тайну на протяжении 30 лет, COLOSSUS не стал базой для дальнейшего развития компьютеров. Мы упомянули о нем только потому, что это был первый в мире электронный цифровой компьютер.
Вторая мировая война повлияла на развитие компьютерной техники и в США. Армии нужны были таблицы, которые использовались при нацеливании тяжелой артиллерии. Сотни женщин нанимались для расчетов на ручных счетных машинах и заполнения полей этих таблиц (считалось, что женщины аккуратнее в расчетах, чем мужчины). Тем не менее этот процесс требовал много времени, и часто случались ошибки.
Джон Моушли, который был знаком с работами Атанасова и Стибблитса, понимал, что армия заинтересована в счетных машинах. Он потребовал от армии финансирования работ по созданию электронного компьютера. Требование было удовлетворено в 1943 году, и Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом (J. Presper Eckert) начали конструировать электронный компьютер, который они назвали ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный цифровой интегратор и калькулятор). ENIAC состоял из 18 000 электровакуумных ламп и 1500 реле, весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт электроэнергии. У машины было 20 регистров, каждый из которых мог содержать 10-разрядное десятичное число. (Десятичный регистр — это память очень маленького объема, которая может вмещать число до какого-либо определенного максимального количества разрядов, что-то вроде одометра, запоминающего километраж пройденного автомобилем пути.) В ENIAC было установлено 6000 многоканальных переключателей и имелось множество кабелей, протянутых к разъемам.
Работа над машиной была закончена в 1946 году, когда она уже была не нужной — по крайней мере, для достижения первоначально поставленных целей.
Поскольку война закончилась, Моушли и Экерту позволили организовать школу, где они рассказывали о своей работе коллегам-ученым. В этой школе и зародился интерес к созданию больших цифровых компьютеров.
После появления школы за конструирование электронных вычислительных машин взялись другие исследователи. Первым рабочим компьютером был EDSAC (1949 год). Эту машину сконструировал Морис Уилкс в Кембриджском университете. Далее — JOHNIAC в корпорации Rand, ILLIAC в Университете Иллинойса, MANIAC в лаборатории Лос-Аламоса и WEIZAC в Институте Вайцмана в Израиле.
Экерт и Моушли вскоре начали работу над машиной EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer — электронная дискретная параметрическая машина). К несчастью, этот проект закрылся, когда они ушли из университета, чтобы основать компьютерную корпорацию в Филадельфии (Силиконовой долины тогда еще не было). После ряда слияний эта компания превратилась в Unisys Corporation.
Экерт и Моушли хотели получить патент на изобретение цифровой вычислительной машины. После нескольких лет судебной тяжбы было вынесено решение, что патент недействителен, так как цифровую вычислительную машину изобрел Атанасов, хотя он ее и не запатентовал.
В то время как Экерт и Моушли работали над машиной EDVAC, один из участников проекта ENIAC, Джон Фон Нейман, поехал в Институт специальных исследований в Принстоне, чтобы сконструировать собственную версию EDVAC под названием IAS (Immediate Address Storage — память с прямой адресацией). Фон Нейман был гением в тех же областях, что и Леонардо да Винчи. Он знал много языков, был специалистом в физике и математике, обладал феноменальной памятью: он помнил все, что когда-либо слышал, видел или читал. Он мог дословно процитировать по памяти текст книг, которые читал несколько лет назад. Когда фон Нейман стал интересоваться вычислительными машинами, он уже был самым знаменитым математиком в мире.
Фон Нейман вскоре осознал, что создание компьютеров с большим количеством переключателей и кабелей требует длительного времени и очень утомительно. Он пришел к мысли, что программа должна быть представлена в памяти компьютера в цифровой форме, вместе с данными. Он также отметил, что десятичная арифметика, используемая в машине ENIAC, где каждый разряд представлялся десятью электронными лампами A включена и 9 выключены), должна быть заменена параллельной бинарной арифметикой. Между прочим, Атанасов пришел к аналогичному выводу лишь спустя несколько лет.
Основной проект, который фон Нейман описал вначале, известен сейчас как фон-неймановская вычислительная машина. Он был использован в EDSAC, первой машине с программой в памяти, и даже сейчас, более чем полвека спустя, является основой большинства современных цифровых компьютеров. Сам замысел и машина IAS оказали очень большое влияние на дальнейшее развитие компьютерной техники, поэтому стоит кратко описать проект фон Неймана. Стоит иметь в виду, что хоть проект и связан с именем фон Неймана, в его разработке приняли деятельное участие другие ученые — в частности, Голдстайн. Архитектуру этой машины иллюстрирует следующий рисунок:
Схема фон-неймановской вычислительной машины
Машина фон Неймана состояла из пяти основных частей: памяти, арифметико-логического устройства, устройства управления, а также устройств ввода-вывода. Память включала 4096 слов размером по 40 бит, бит — это 0 или 1. Каждое слово содержало или 2 команды по 20 бит, или целое число со знаком на 40 бит. 8 бит указывали на тип команды, а остальные 12 бит определяли одно из 4096 слов. Арифметический блок и блок управления составляли «мозговой центр» компьютера. В современных машинах эти блоки сочетаются в одной микросхеме, называемой центральным процессором (ЦП).
Внутри арифметико-логического устройства находился особый внутренний регистр на 40 бит, так называемый аккумулятор. Типичная команда добавляла слово из памяти в аккумулятор или сохраняла содержимое аккумулятора в памяти. Эта машина не выполняла арифметические операции с плавающей точкой, поскольку Фон Нейман считал, что любой сведущий математик способен держать плавающую точку в голове.
Примерно в то же время, когда Фон Нейман работал над машиной IAS, исследователи МТИ разрабатывали свой компьютер Whirlwind I. В отличие от IAS, ENIAC и других машин того же типа со словами большой длины, машина Whirlwind I имела слова по 16 бит и предназначалась для работы в реальном времени. Этот проект привел к изобретению Джеем Форрестером (Jay Forrester) памяти на магнитном сердечнике, а затем и первого серийного мини-компьютера.
В то время IBM была маленькой компанией, производившей перфокарты и механические машины для сортировки перфокарт. Хотя фирма IBM частично финансировала проект Айкена, она не интересовалась компьютерами и только в 1953 году построила компьютер 701, через много лет после того, как компания Экерта и Моушли со своим компьютером UNIVAC стала номером один на компьютерном рынке.
В 701 было 2048 слов по 36 бит, каждое слово содержало две команды. 701 стал первым компьютером, лидирующим на рынке в течение десяти лет. Через три года появился компьютер 704, у которого было 4 Кбайт памяти на магнитных сердечниках, команды по 36 бит и процессор с плавающей точкой. В 1958 году компания IBM начала работу над последним компьютером на электронных лампах, 709, который по сути представлял собой усложненную версию 704.
Компьютеры пятого поколения — Роботы в промышленности
Компьютеры пятого поколения
Роботы в промышленности
Компьютеры пятого поколения
В начале 80-х годов японцы начали работу над проектом компьютеров пятого поколения с целью создания до конца десятилетия принципиально новых компьютерных систем, включающих и использующих концепции искусственного интеллекта. В заявлении, опубликованном в 1980 г. Японским центром обработки информации, об отличии их от современных компьютеров сказано, что требуются компьютеры, наделенные «здравым смыслом». Идеально такая система могла бы извлекать из своей базы знаний необходимую информацию при формировании выводов относительно предметов, о которых ей не дана какая-либо прямая инструкция.
Помимо программного обеспечения ИИ такие системы также требуют специальных форм компьютерной архитектуры. Европа и США включились в гонку по созданию таких компьютеров пятого поколения, и результаты их работы, по-видимому, сообщат развитию робототехники невероятный по силе импульс. Первые три года работы над проектом пошли на создание «инструментов», с помощью которых в оставшиеся 7 лет удастся достичь запланированных целей.
Технические цели проекта включают в себя достижение компьютерами такого уровня интеллекта, который позволил бы общаться с ними на естественном языке, использовать основанные на базах знаний экспертные системы для практического применения заложенных в памяти ЭВМ знаний и реально продемонстрировать функции обучения, общения и способности делать логические выводы. Разработка программного обеспечения будет значительно проще, и современные компьютеры будут представлять собой легкие, компактные и высокоскоростные машины с большим объемом памяти. Достичь эти цели можно, используя новые подходы к компьютерному аппаратному и программному обеспечению. Традиционная фон-неймановского типа архитектура достигает предела своего совершенства, поскольку такие компьютеры выполняют вычисления последовательно.
Такой «последовательный» подход ставит теоретический потолок для максимальной скорости вычислений, зависимой от скорости распространения электрических сигналов. Современные «суперкомпьютеры» должны быть построены так, чтобы в них не было связи длиннее нескольких десятых сантиметра — иначе сигналы по ним будут слишком долго распространяться. Единственный практический способ преодолеть это теоретическое ограничение — выполнять одновременно несколько процессов, используя форму параллельной архитектуры вместо традиционной последовательной. Конечно, в такой работе нужно не просто обеспечить прохождение вычислительных процессов в одно и то же время и надеяться как-то разделить задачу между ними. Один из подходов к решению этой задачи представляет собой концепция такой архитектуры, когда операции с данными выполняются немедленно по мере их поступления вместо ожидания, пока единственная управляющая последовательность не подойдет к каждой операции. МТИ (США) создает «машину связи», содержащую миллион процессоров с памятью каждого около 100 бит. Процессоры создаются на изготовленных по заказу чипах, 64 на чип, таким образом, в готовой машине будет 16 000 чипов.
В Великобритании в Государственном колледже создана машина, известная как «Алиса», работающая целиком по принципу параллельности. Машина сделана только из трех видов изготовленных на заказ базовых элементов, повторяемых снова и снова. Большинство современных микрокомпьютеров могут обрабатывать в секунду только около 250 000 команд, но даже настольный прототип «Алисы» может работать со скоростью 5 млн. и более команд в секунду. Так же как современные архитектуры не подходят для компьютеров пятого поколения, так и традиционные машинные языки не могут быть использованы в новых машинах, так что оцениваются такие методы, как программирование в форме логики предикатов.
Это резко контрастирует с традиционным программированием, в котором компьютеру задается последовательность шагов, действий специальных операторов и вопросов в форме, очень похожей на классическую логику. Наиболее удачной формой логического программирования является сегодня язык «Пролог», сочиненный Робертом Ковальским из Государственного колледжа в Лондоне.
Широко распространено мнение, что цели проекта создания машин пятого поколения в основном достижимы и, конечно, как только такие компьютеры появятся в продаже, они станут компонента,уш сложных робото-технических систем.
Пятое поколение компьютеров (1990-…)
Термин «пятое поколение компьютеров» считается спорным. История предыдущих четырех поколений показывает, что усовершенствования происходили за счет увеличения количества элементов на единицу площади. По этой логике от компьютеров пятого поколения ожидались параллельные вычисления — взаимодействие огромного количества процессоров.
В начале $80$-х Япония объявила правительственную программу по разработке компьютеров нового типа. Разработчики делали ставку на параллельные вычисления, многопроцессорность и переход от процедурных языков программирования к языкам, основанным на логике. По мнению специалистов использование таких языков должно было бы сделать программы самообучаемыми и тем самым приблизить человечество на шаг к реализации искусственного интеллекта.
Одновременно в СССР была предпринята попытка создания многопроцессорного компьютера «Марс».
Однако, оказалось, что параллельная работа нескольких процессоров не дает той высокой производительности, которая ожидалась. Разработанные образцы быстро устаревали. Что же касается языков, основанных на логике, выяснилось, что они не позволяют создавать программы необходимого уровня сложности без использования обычных процедурных подходов.
Поэтому многие специалисты считают, что пятое поколение компьютеров не состоялось как таковое, а для дальнейшего совершенствования нужны принципиально новые технологии. Другие утверждают, что все-таки можно называть пятым поколением реализацию параллельных вычислений и облачных технологий.
Четвертое поколение компьютеров: 1978 — 1991 годы
В 1965 году председатель совета директоров компании «Интел» Гордон Мур предположил, что количество элементов на интегральных микросхемах должно удваиваться каждые 18 месяцев. В дальнейшем это правило, известное как закон, было применено к скорости микропроцессоров и до сих пор не нарушалось. В 1969 году компания «Интел» выпустила еще одно важное для развития вычислительной техники устройство — микропроцессор. Микропроцессор представляет собой интегральную микросхему, на которой сосредоточено обрабатывающее устройство с собственной системой команд. Конструкция микропроцессора позволяет применять его для решения широкого круга задач, создавая при этом различные функциональные устройства. Использование микропроцессоров значительно упростило конструкцию компьютеров. Практически сразу микропроцессоры получили широкое применение в различных системах управления от космических аппаратов до бытовых приборов.
В течение следующих десятилетий, следуя закону Мура, продолжалось все большее увеличение скорости и интеграции микропроцессоров. Появились сверхбольшие интегральные схемы, включающие сотни тысяч и даже миллионы элементов на один кристалл. Это позволило продолжить уменьшение размеров и стоимости компьютеров и повысить их производительность и надежность.
Практически одновременно с микропроцессорами появились микрокомпьютеры, или персональные компьютеры, отличительной особенностью которых стали небольшие размеры и низкая стоимость. Благодаря своим характеристикам персональные компьютеры предоставили возможность практически любому человеку познакомиться с вычислительной техникой. Компьютеры перестали быть прерогативой крупных компаний и государственных учреждений, а превратились в товар массового потребления.
Одним из пионеров в производстве персональных компьютеров была компания Apple. Ее основатели Стив Джобс и Стив Возняк собрали первую модель персонального компьютера в 1976 году и назвали ее Apple I. В 1977 году они представили свой компьютер членам компьютерного клуба в Калифорнии и на следующий день получили заказ на 50 подобных компьютеров. Стоимость первого персонального компьютера составляла всего 500 долларов. В том же 1977 году компания Apple представила следующую модель персонального компьютера — Apple II. У новой модели был изящный пластиковый корпус со встроенной клавиатурой. Впервые компьютер приобрел черты бытового прибора. Продажи персональных компьютеров резко возросли. Apple II окончательно сломал представление о компьютере, как об огромном железном монстре, у него был изящный дизайн и дружелюбный интерфейс взаимодействия с пользователем.
Персональные компьютеры не привлекали крупные компании до 1979 года, когда появился первый процессор электронных таблиц — VisiCalc. Идея VisiCalc была предложена студентом Гарварда Даном Брисклином, которому пришлось решать сложные финансовые задачи, требующие большого количества вычислений. Со своим другом Бобом Франкстоном они написали VisiCalc для компьютера Apple II. Программа оказалась настолько удобной для финансовых вычислений, что многие компании стали покупать Apple II с VisiCalc для своих сотрудников.
В 1981 году крупнейшая компьютерная компания IBM представила свой первый персональный компьютер — IBM PC. В течение двух лет было продано более пяти миллионов этих компьютеров. В то же время компания Microsoft начинает выпуск программного обеспечения для IBM PC. Появляются клоны IBM PC, но все они, так или иначе, отражают стандарты, заложенные IBM. Появление клонов IBM PC способствовало росту промышленного производства персональных компьютеров.
В 1984 году компания Apple представила компьютер «Макинтош». Операционная система «Макинтоша» включала в себя графический интерфейс пользователя, позволявший вводить команды, выбирая их с помощью указателя «мышь». Сами команды были представлены в виде небольших графических изображений — значков. Простота использования в сочетании с большим набором текстовых и графических программ сделала этот компьютер идеальным для небольших офисов, издательств, школ и даже детских садов. С появлением «Макинтоша» персональный компьютер стал еще более доступным. Для работы с ним больше не требовалось никаких специальных навыков, а тем более знания программирования. В 1984 году компания Apple показала на телевидении первый ролик, посвященный рекламе персонального компьютера. Компьютер действительно перестал быть чем-то особенным и превратился в обычный бытовой прибор.
На протяжении всего 50 лет компьютеры превратились из неуклюжих диковинных электронных монстров в мощный, гибкий, удобный и доступный инструмент. Компьютеры стали символом прогресса в XX веке. По мере того как человеку понадобится обрабатывать все большее количество информации, будут совершенствоваться и средства ее обработки — компьютеры.
