Пятое поколение компьютеров сообщение

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.

Четыре поколения ЭВМ

Можно выделить 4 основных поколения компьютеров. Но разделение компьютерного оборудования на поколения очень условно и не является строгой классификацией по степени развития аппаратного и программного обеспечения и средств связи с компьютерами.

Идея разделения машин на поколения обусловлена тем, что за недолгую историю своего развития компьютерная техника претерпела большую эволюцию как с точки зрения элементной базы (лампы, транзисторы, микрочипы и т.д.), так и с точки зрения изменения ее структуры, появления новых возможностей, расширения сферы применения и характера использования. Этот прогресс показан в этой таблице:

История развития компьютерной техники

Потребность в хранении, преобразовании и передачи информации у человека появилась значительно раньше, чем был создан телеграфный аппарат, первая телефонная станция и электронная вычислительная машина (ЭВМ). Фактически весь опыт, все знания, накопленные человечеством, так или иначе, способствовали появлению вычислительной техники. История создания ЭВМ — общее название электронных машин для выполнения вычислений — начинается далеко в прошлом и связана с развитием практически всех сторон жизни и деятельности человека. Сколько существует человеческая цивилизация, столько времени используется определенная автоматизация вычислений.

История развития компьютерной техники насчитывает около пяти десятилетий. За это время сменилось несколько поколений ЭВМ. Каждое следующее поколение отличалось новыми элементами (электронные лампы, транзисторы, интегральные схемы), технология изготовления которых была принципиально иной. В настоящее время существует общепринятая классификация поколений ЭВМ:

Первое поколение (1946 — начало 50-х гг.). Элементная база — электронные лампы. ЭВМ отличались большими габаритами, большим потреблением энергии, малым быстродействием, низкой надежностью, программированием в кодах.
Второе поколение (конец 50-х — начало 60-х гг.). Элементная база — полупроводниковые элементы. Улучшились по сравнению с ЭВМ предыдущего поколения практически все технические характеристики. Для программирования используются алгоритмические языки.
3-е поколение (конец 60-х — конец 70-х). Элементная база — интегральные схемы, многослойный печатный монтаж. Резкое снижение габаритов ЭВМ, повышение их надежности, увеличение производительности. Доступ с удаленных терминалов.
Четвёртое поколение (с середины 70-х — конец 80-х). Элементная база — микропроцессоры, большие интегральные схемы. Улучшились технические характеристики. Массовый выпуск персональных компьютеров. Направления развития: мощные многопроцессорные вычислительные системы с высокой производительностью, создание дешевых микроЭВМ.
Пятое поколение (с середины 80-х гг.). Началась разработка интеллектуальных компьютеров, которая пока не увенчалась успехом. Внедрение во все сферы компьютерных сетей и их объединение, использование распределенной обработки данных, повсеместное применение компьютерных информационных технологий.

Вместе со сменой поколений ЭВМ менялся и характер их использования. Если сначала они создавались и использовались в основном для решения вычислительных задач, то в дальнейшем сфера их применения расширилась. Сюда можно отнести обработку информации, автоматизацию управления производственно-технологическими и научными процессами и многое другое.

Первые ЭВМ

В 1938 году германский инженер Конрад Цузе конструирует устройство, названное Z1, а в 42-м выпускает его усовершенствованную версию – Z2. В 1943 году свою вычислительную машину изобретают англичане и называют ее «Колосс». Некоторые эксперты склонны считать английскую и немецкие машины первыми ЭВМ. В 1944-м на базе разведданных из Германии вычислительную машину создают также и американцы. Разработанная в США ЭВМ получила название «Марк I».

В 1946 году американские инженеры делают небольшую революцию в области конструирования вычислительной техники, создав ламповый компьютер ЭНИАК, в 1000 раз более производительный, чем «Марк I». Следующей известной американской разработкой стала созданная в 1951 году ЭВМ, названная УНИАК. Ее основная особенность в том, что она первой из ЭВМ стала использоваться как коммерческий продукт.

К тому моменту, к слову, свой компьютер уже успели изобрести советские инженеры, работающие в Академии наук Украины. Наша разработка получила название МЭСМ. Ее производительность, по оценке экспертов, была самой высокой среди ЭВМ, собранных в Европе.

Третье поколение — интегральные схемы (1965-1980)

Изобретение в 1958 году Робертом Нойсом (Robert Noyce) кремниевой интегральной схемы означало возможность размещения на одной небольшой микросхеме десятков транзисторов. Компьютеры на интегральных схемах были меньшего размера, работали быстрее и стоили дешевле, чем их предшественники на транзисторах.

К 1964 году компания IBM лидировала на компьютерном рынке, но существовала одна большая проблема: компьютеры 7094 и 1401, которые она выпускала, были несовместимы друг с другом. Один из них предназначался для сложных расчетов, в нем использовалась двоичная арифметика на регистрах по 36 бит, во втором применялась десятичная система счисления и слова разной длины. У многих покупателей были оба этих компьютера, и им не нравилось, что они совершенно несовместимы.

Когда пришло время заменить эти две серии компьютеров, компания IBM сделала решительный шаг. Она выпустила линейку транзисторных компьютеров System/360, которые были предназначены как для научных, так и для коммерческих расчетов. Линейка System/360 имела много нововведений. Это было целое семейство компьютеров для работы с одним языком (ассемблером). Каждая новая модель была больше по возможностям, чем предыдущая. Компания смогла заменить 1401 на 360 (модель 30), а 7094 — на 360 (модель 75). Модель 75 была больше по размеру, работала быстрее и стоила дороже, но программы, написанные для одной из них, могли использоваться в другой. На практике программы, написанные для маленькой модели, выполнялись большой моделью без особых затруднений. Но в случае переноса программного обеспечения с большой машины на маленькую могло не хватить памяти. И все же создание такой линейки компьютеров было большим достижением. Идея создания семейств компьютеров вскоре стала очень популярной, и в течение нескольких лет большинство компьютерных компаний выпустили серии сходных машин с разной стоимостью и функциями. В табл. ниже показаны некоторые параметры первых моделей из семейства 360. О других моделях этого семейства мы расскажем далее.

Первые модели серии IBM 360:

Параметры	Модель 30	Модель 40	Модель 50	Модель 65
Относительная производительность	1	3,5	10	21
Время цикла (нс)	1000	625	500	250
Максимальный объем памяти (байт)	65536	262144	262144	524288
Количество байтов, вызываемых из памяти за 1 цикл	1	2	4	16
Максимальное число каналов данных	3	3	4	6

Еще одно нововведение в 360 — мультипрограммирование. В памяти компьютера могло находиться одновременно несколько программ, и пока одна программа ждала, когда закончится процесс ввода-вывода, другая выполнялась. В результате ресурсы процессора расходовались более рационально.

Компьютер 360 был первой машиной, которая могла полностью эмулировать работу других компьютеров. Маленькие модели могли эмулировать 1401, а большие — 7094, поэтому программисты могли оставлять свои старые программы без изменений и использовать их в работе с 360. Некоторые модели 360 выполняли программы, написанные для 1401, гораздо быстрее, чем сама 1401, поэтому стала бессмысленной переделка программ.

Компьютеры серии 360 могли эмулировать работу других компьютеров, потому что создавались с использованием микропрограммирования. Нужно было написать всего лишь три микропрограммы: одну — для системы команд 360, другую — для системы команд 1401, третью — для системы команд 7094. Требование гибкости стало одной из главных причин применения микропрограммирования.

Компьютеру 360 удалось разрешить дилемму между двоичной и десятичной системами счисления: у этого компьютера было 16 регистров по 32 бит для бинарной арифметики, но память состояла из байтов, как у 1401. В 360 использовались такие же команды для перемещения записей разного размера из одной части памяти в другую, как ив 1401.

Объем памяти у 360 составлял 224 байт (16 Мбайт). В те времена такой объем памяти казался огромным. Линейка 360 позднее сменилась линейкой 370, затем 4300, 3080, 3090. У всех этих компьютеров была сходная архитектура. К середине 80-х годов 16 Мбайт памяти стало недостаточно, и компании IBM пришлось частично отказаться от совместимости, чтобы перейти на 32-разрядную адресацию, необходимую для памяти объемом в 232 байт.

Можно было бы предположить, что поскольку у машин были слова в 32 бит и регистры, у них вполне могли бы быть и адреса в 32 бит. Но в то время никто не мог даже представить себе компьютер с объемом памяти в 16 Мбайт. Обвинять IBM в отсутствии предвидения все равно что обвинять современных производителей персональных компьютеров в том, что адреса в них всего по 32 бит. Возможно, через несколько лет объем памяти компьютеров будет составлять намного больше 4 Гбайт, и тогда адресов в 32 бит будет недостаточно.

Мир мини-компьютеров сделал большой шаг вперед в третьем поколении вместе с производством линейки компьютеров PDP-11, последователей PDP-8 со словами по 16 бит. Во многих отношениях компьютер PDP-11 был младшим братом 360, a PDP-1 — младшим братом 7094. И у 360, и у PDP-11 были регистры, слова, память с байтами, и в обеих линейках компьютеры имели разную стоимость и разные функции. PDP-1 широко использовался, особенно в университетах, и компания DEC продолжала лидировать среди производителей мини-компьютеров.

Перспективы развития вычислительной техники

На сегодняшний день имеется несколько перспективных направлений, в которых ожидается развитие вычислительной техники:

оптический компьютер;
квантовый компьютер;
нейрокомпьютер;

Оптический компьютер, или фотонный компьютер, является на сегодняшний день гипотетическим вычислительным устройством, где вычисления производятся при помощи фотонов. Для реализации этой технологии должен быть разработан «оптический транзистор». Скорость фотона примерно в $10$ раз выше скорости электрического сигнала, поэтому оптический транзистор должен быть в 1000 раз быстрее компьютеров нынешнего поколения. На сегодняшний день еще только идет поиск материалов с эффектами нелинейной оптики, которые можно было бы использовать для изготовления таких транзисторов.

Квантовый компьютер. Впервые идею квантовых вычислений теоретически описал в $1981$ году Пол Бениофф. Суть этой идеи состоит в следующем. Современные компьютеры реализуют теоретические принципы, при которых каждый бит памяти может быть равен либо нулю, либо единице. Если же рассматривать квантовое состояние, то каждый бит может быть и нулем и единицей одновременно. А это позволит вести несколько вычислений параллельно.

В $2007$ году канадская компания D-Wave System объявила о создании квантового компьютера. Компьютеры D-Wave рекламируются как квантовые компьютеры доступные для коммерческого использования. Однако, ряд ученых утверждают, что скорость вычислений D-Wave не отличается принципиально от скорости вычислений обычных компьютеров. Поэтому на сегодняшний день трудно уверенно утверждать, что идея квантового компьютера действительно реализована.

Нейрокомпьютеры. Пусковым механизмом к развитию идеи нейрокомпьютера стали биологические исследования нервной системы человека. Нервная система человека состоит из отдельных клеток – нейронов. Каждый нейрон имеет до $10000$ связей с другими нейронами и умеет выполнять некоторые элементарные действия. Слаженная работа всех нейронов с учетом их связей обеспечивает работу мозга, который умеет решать довольно сложные задачи.

По аналогии с человеческим мозгом огромное количество специальных вычислительных элементов — искусственных нейронов, связанных между собой, должно обеспечивать высокую скорость вычислений и самообучение всей системы.

Работы и исследования по всем перспективным направлениям вычислительной техники в настоящее время активно ведутся развитыми станами мира.

Поколения ЭВМ. Компьютеры 4, 5 и 6 поколения

Отчет шестого поколения процессоров начался с Pentium Pro, выпущенного в 1995 году. Сейчас к этому поколению относятся Pentium II (1997 г.), Celeron, Xeon (1998 г.) и, наконец, Pentium III (1999 г.). От предыдущего поколения эти процессоры главным образом отличает применение «динамического исполнения» (изменения порядка исполнения инструкций) и архитектура двойной независимой шины. Здесь вторичному кэшу, введенному в процессор (но не во все модели), выделяется отдельная высокоскоростная магистраль. В ходе эволюции поколения к системе команд Pentium Pro, расширенной относительно Pentium с целью сокращения условных переходов, было добавлено расширение MMX — так появился Pentium II. Теперь идею MMX — одновременное исполнение одной инструкции над группой операндов -распространили и на инструкции с плавающей точкой: SSE (Streaming SIMD Extensions) — основной козырь Pentium III. Правда, несколько раньше то же самое (но в меньшем объеме) было сделано фирмой AMD — расширение 3DNow! было реализовано уже в процессорах K6-2 для сокета 7. Отчет шестого поколения процессоров начался с Pentium Pro, выпущенного в 1995 году. Сейчас к этому поколению относятся Pentium II (1997 г.), Celeron, Xeon (1998 г.) и, наконец, Pentium III (1999 г.). От предыдущего поколения эти процессоры главным образом отличает применение «динамического исполнения» (изменения порядка исполнения инструкций) и архитектура двойной независимой шины. Здесь вторичному кэшу, введенному в процессор (но не во все модели), выделяется отдельная высокоскоростная магистраль. В ходе эволюции поколения к системе команд Pentium Pro, расширенной относительно Pentium с целью сокращения условных переходов, было добавлено расширение MMX — так появился Pentium II. Теперь идею MMX — одновременное исполнение одной инструкции над группой операндов -распространили и на инструкции с плавающей точкой: SSE (Streaming SIMD Extensions) — основной козырь Pentium III. Правда, несколько раньше то же самое (но в меньшем объеме) было сделано фирмой AMD — расширение 3DNow! было реализовано уже в процессорах K6-2 для сокета 7.

Компьютер пятого поколения

Вычислительные устройства появились очень давно. Но были они крайне примитивными. Резкий скачок в скорости и точности вычислений произошел только с появлением компьютеров.

Немного истории

В пятом веке до нашей эры появился абак. Его применение заметно упростило вычисления. Но первая попытка механизировать процесс произошла намного позже – в 1642 году нашей уже эры. В более совершенном виде вычисления стали производить на логарифмической линейке. Год ее рождения – 1642-й. Перфокарты придумали в 1801-м году. Использовали их для работы ткацких станков. В 1820-м году мир получил арифмометр. Чуть позже (в 1822-м году) была придумано программирование вычислений.

В 1888-м году промышленность начинает выпускать табулятор – это устройство автоматически выполняло операции вычислений. Но устройство с двоичной логикой вычислений разработали только в 1937-м году. А первое устройство, которое вполне можно уже отнести к разряду компьютеров, было создано в 1943 году – машина «Марк-1». Занимала она целое помещение! Но лишь в 1964 году фирмаIBMзаявила о полноценном, достаточно уже портативном компьютере — «System 360». Именно с этого момента появились стандарт байта и шестнадцатеричное счисление. А дальше уже не столь далеко было до первого микропроцессораIntel 4004.

Идея витала в воздухе

Сейчас на базе различных процессоров электронная промышленность выпускает много моделей компьютеров. Как говорится, на любой вкус и для любых целей. Даже не верится, что многого вообще не было каких-то два-три десятка лет назад. Компьютер перестал быть сугубо вычислительной машиной. С помощью периферийных устройств и специально написанных программ он позволяет делать практически всё (за очень малым исключением).

Изобретаются новые периферийные устройства, составляются удивительные по области применения программы, общество получает «продвинутые» компьютеры. И невольно кажется, что этот рог изобилия будет действовать всегда. Однако «заминка» уже имеется: невозможно на нынешней элементной основе и при современных методах цифровой обработки информации на порядок поднять скорость работы компьютеров. Плотность увеличения элементов в микросхемах имеет физический предел. «Разводка» в них уже сейчас видна лишь в микроскоп. В некоторых микросхемах расстояния и вовсе на уровне атомов. Еще «уплотнить» элементы проблемно по целому ряду параметров. Тупик?

Четыре поколения компьютеров обрабатывают данные последовательно. Сами данные – в форме «единичек» и «нолей». Стал нужен иной метод обработки. И он витал в воздухе, но не был еще сформулирован. Ученые обратили внимание на то, что информацию можно обрабатывать и параллельно, если она будет иметь некое дополнительное значение, а не только «1» и «0». Такое дополнительное значение (смесь из двух первых значений) дает квант. Помимо «0» и «1» в квантовом вычислении есть и «1-0». Невероятно, но факт.

Итак, уже ясно, что пятым поколением станут квантовые компьютеры. Именно они обеспечат прорыв в скорости вычислений.

Первые успехи

Подобие квантового компьютера было создано в 2001-м году (разработка компании IBM). Потом на довольно длительный срок наступило как бы затишье. Хотя на самом деле шел активный штурм задачи. Просто в СМИ это не отражалось должным образом. Но сенсация назревала.

В 2011-м году появился квантовый компьютер «DW1» (аббревиатура от D-Wave One). Позже появился «DW2». Как же они устроены?

Пока это огромные по размерам два металлических «контейнера», похожих на контейнеры для перевозки грузов по железной дороге. Повторяется история «Марка-1»? Почему? Неужели нельзя сразу собрать вполне компактный квантовый компьютер? В чем проблема? Она в том, что квантовый процессор совершенно иначе устроен, чем процессор в четырех предыдущих поколениях компьютеров. В нем применена в виде микроколечек ниобиевая проволока, охлаждаемая до абсолютного ноля. Только при этом условии электрические сигналы в ней идут одновременно в двух направлениях. Это очень важно для скорости вычислений. Но любая малейшая помеха вызывает пока сбой в работе такого процессора. Именно по этой причине он окружен мощным охладителем, теплоотводами, большим количеством разнообразных помехозащитных устройств. Отсюда и размеры с настоящий контейнер.

Во время тестирования «DW2» сравнивался с действиями среднего обычного компьютера. В скорости вычислений «DW2» на 3600 раз превзошел его в скорости вычислений. Но в бочке меда есть и ложка дегтя. Дело в том, что «DW2» решает задачи лишь в очень узком направлении. Его невозможно использовать как-то иначе. Впрочем, «Мак-1» тоже был «узким» специалистом.

e-max.it: your social media marketing partner