Поколения вычислительных систем
Вычислительная техника является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. За последние 50 лет произошла смена уже не одного поколения компьютеров. И если первые четыре поколения отличались друг от друга только элементной базой и архитектурой, то так и не созданные «компьютеры пятого поколения» должны были включать в себя функции искусственного интеллекта.
К первому поколению относятся компьютеры на основе электронных ламп и реле (40-е года XX века). Оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках. Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы – 7 см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 минут одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15-20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось много времени. Быстродействие таких вычислительных систем: 5-30 тыс. арифметических операций в секунду. Данные заносились в память ЭВМ при помощи соединения нужного штекера с нужным гнездом. Такие компьютеры использовались в основном для научно-технических расчетов.
1 июля 1948 года фирма «Белл телефон лабораториз» разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу – транзистор. Это событие можно считать началом компьютеров второго поколения. Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов были созданы более компактные внешние устройства, что позволило фирме «Digital Equipment» выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью всего 20 тыс. долларов.
Применение транзисторов в качестве основного элемента в ЭВМ привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и к повышению их надежности. Самым главным отличием транзистора является то, что он один заменяет 40 электронных ламп и при этом работает с большей скоростью, выделяет очень мало тепла и почти не потребляет электроэнергию.
Появление интегральных схем ознаменовало появление машин третьего поколения. Интегральная схема, представляет собой миниатюрную электронную схему площадью около 10 квадратных миллиметров. Интегральная схема способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь уже заменил 40 электронных ламп. Частью ЭВМ становятся операционные системы. Многие задачи управления памятью, устройствами ввода/вывода и другими ресурсами стали брать на себя ОС или же непосредственно аппаратная часть ЭВМ. Ко всем достоинствам ЭВМ третьего поколения добавилось еще и то, что их производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. Благодаря этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. Большинство созданных до этого ЭВМ являлись специализированными машинами, на которых можно было решать задачи какого-то одного типа.
Приход ЭВМ четвертого поколения связан с переходом интегральных схем на большие интегральные схемы и сверхбольшие интегральные схемы. Элементная база позволила достичь больших успехов в минимизации размеров, повышении надежности и производительности ЭВМ. Первым персональным компьютеров можно считать Altair-8800, созданным на базе Intel-8080, в 1974г. Лицо 4-го поколения в значительной мере определяется и созданием супер-ЭВМ, характеризующихся высокой производительностью. Супер-ЭВМ используются при решении задач математической физики, космологии и астрономии, моделировании сложных систем и др.
Термин компьютеры пятого поколения является ничем иным, как широкомасштабная правительственная программа в Японии по развитию компьютерной индустрии и искусственного интеллекта, предпринятая в 1980-е годы. Целью программы было создание «эпохального компьютера» с производительностью суперкомпьютера и мощными функциями искусственного интеллекта. Ожидалось добиться существенного прорыва в области решения прикладных задач искусственного интеллекта. В частности, должны были быть решены такие задачи как:
- создание автоматического портативного переводчика с языка на язык (непосредственно с голоса);
- автоматическое реферирование статей, поиск смысла и категоризация
- задачи распознавания и др.
Идея саморазвития системы, по которой система сама должна менять свои внутренние правила и параметры, оказалась непродуктивной – система, переходя через определённую точку, скатывалась в состояние потери надёжности и утраты цельности, резко «глупела» и становилась неадекватной. За десять лет на разработки было истрачено более порядка 500 млн. долларов, программа завершилась, так и не достигнув цели. На сегодняшний день проект считается абсолютным провалом.
Второй период (1955-Начало 60-х). Компьютеры на основе транзисторов. Пакетные операционные системы
С середины 50-х годов начался новый период в эволюции вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы — полупроводниковых элементов. Применение транзисторов вместо часто перегоравших электронных ламп привело к повышению надежности компьютеров. Теперь они смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач. Снизилось потребление вычислительными машинами электроэнергии. Проще стали системы охлаждения. Размеры компьютеров уменьшились. Эксплуатация и обслуживание вычислительной техники подешевели. Началось использование ЭВМ коммерческими фирмами. Одновременно наблюдается бурное развитие алгоритмических языков (ALGOL-58, LISP, COBOL, ALGOL-60, PL-1 и т.д.). Появляются первые настоящие компиляторы, редакторы связей, библиотеки математических и служебных подпрограмм. Упрощается процесс программирования. Пропадает необходимости взваливать на одних и тех же людей весь процесс разработки и использования компьютеров. Именно в этот период происходит разделение персонала на программистов и операторов, специалистов по эксплуатации и разработчиков вычислительных машин.
Изменяется сам процесс прогона программ. Теперь пользователь приносит программу с входными данными в виде колоды перфокарт и указывает требуемые для нее ресурсы. Такая колода получает название задания. Оператор загружает задание в память машины и запускает его на исполнение. Полученные выходные данные печатаются на принтере, и пользователь получает их обратно через некоторое (довольно большое) время.
Смена запрошенных ресурсов вызывает приостановку выполнения программ. В результате процессор часто простаивает. Для повышения эффективности использования компьютера задания с похожими требуемыми ресурсами начинают собирать вместе, создавая пакет заданий.
Появляются первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизируют запуск одной программы из пакета за другой и, тем самым, увеличивают коэффициент загрузки процессора. При реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом.
Первое поколение. Компьютеры на электронных лампах (194х-1955)
Быстродействие: несколько десятков тысяч операций в секунду.
Особенности:
- Поскольку лампы имеют существенные размеры и их тысячи, то машины имели огромные размеры.
- Поскольку ламп много и они имеют свойство перегорать, то часто компьютер простаивал из-за поиска и замены вышедшей из строя лампы.
- Лампы выделяют большое количество тепла, следовательно, вычислительные машины требуют специальные мощные охладительные системы.
Примеры компьютеров:
Колоссус – секретная разработка британского правительства (в разработке принимал участие Алан Тьюринг). Это первый в мире электронный компьютер, хотя и не оказавший влияние на развитие компьютерной техники (из-за своей секретности), но помог победить во Второй мировой войне.
Эниак. Создатели: Джон Моушли и Дж. Преспер Экерт. Вес машины 30 тонн. Минусы: использование десятичной системы счисления; множество переключателей и кабелей.
Эдсак. Достижение: первая машина с программой в памяти.
Whirlwind I. Слова малой длины, работа в реальном времени.
Компьютер 701 (и последующие модели) фирмы IBM. Первый компьютер, лидирующий на рынке в течение 10 лет.
Транзисторные компьютеры.
1 июля 1948 года на одной из страниц «Нью-Йорк Таймс», посвященной радио и телевидению, было помещено скромное сообщение о том, что фирма «Белл телефон лабораториз» разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу. Физик-теоретик Джон Бардин и ведущий экспериментатор фирмы Уолтер Брайттен создали первый действующий транзистор. Это был точечно-контактный прибор, в котором три металлических «усика» контактировали с бруском из поликристаллического германия.
Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов были созданы более компактные внешние устройства, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник (!!) и стоимостью всего 20 тыс. долларов (!!) .
Созданию транзистора предшествовала упорная, почти 10-летняя работа, которую еще в 1938 году начал физик теоретик Уильям Шокли. Применение транзисторов в качестве основного элемента в ЭВМ привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и к повышению их надежности.
И все-таки самой удивительной способностью транзистора является то, что он один способен трудиться за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Увеличился объем памяти, а магнитную ленту, впервые примененную в ЭВМ Юнивак, начали использовать как для ввода, так и для вывода информации. А в середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках. Большие достижения в архитектуре компьютеров позволило достичь быстродействия в миллион операций в секунду! Примерами транзисторных компьютеров могут послужить «Стретч» (Англия), «Атлас» (США). В то время СССР шел в ногу со временем и выпускал ЭВМ мирового уровня (например «БЭСМ-6»).
Поколение третье.
Интегральные схемы.
Подобно тому, как появление транзисторов привело к созданию второго поколения компьютеров, появление интегральных схем ознаменовало собой новый этап в развитии вычислительной техники — рождение машин третьего поколения. Интегральная схема, которую также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью около 10 мм 2 . Подробнее об интегральных схемах здесь.
Первые интегральные схемы (ИС) появились в 1964 году. Сначала они использовались только в космической и военной технике. Сейчас же их можно обнаружить где угодно, включая автомобили и бытовые приборы. Что же качается компьютеров, то без интегральных схем они просто немыслимы!
Появление ИС означало подлинную революцию в вычислительной технике. Ведь она одна способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь уже заменил 40 электронных ламп. Другими словами, один крошечный кристалл обладает такими же вычислительными возможностями, как и 30-тонный Эниак! Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.
Ко всем достоинствам ЭВМ третьего поколения добавилось еще и то, что их производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. Благодаря этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. А это, в свою очередь, привело к росту спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные для решения самых различных задач. Большинство созданных до этого ЭВМ являлись специализированными машинами, на которых можно было решать задачи какого-то одного типа.
Транзистор в компьютере
Все электронные компоненты компьютера построены на основе транзисторов. Принцип работы транзистора был открыт тремя учёными в конце 40-х годов, работавшими в компании Bell Labs. Этими учёными были Вильям Шоклей (William Shockley), Джон Бардин (John Bardeen) и Вальтер Брэтнен (Walter Brettain). В 1954 году им была присуждена Нобелевская премия. Важность и значение открытия транзистора для дальнейших разработок в компьютерной отрасли равносильно открытию в своё время колеса и способов добычи огня.
Первый компьютер получивший название ENIAC (elecronic Numeracal Integrator and Computer), был разработан в начале 40-х годов.
Компьютер ENIAC на основе электронных ламп.
В то время не были изобретены транзисторы, поэтому компьютер был изготовлен на основе тысяч громоздких и неудобных вакуумных ламп, а для его размещения потребовалось несколько комнат. Вес достигал 27 тонн. Вакуумные лампы сильно нагревались, были очень ненадёжными и требовали много электроэнергии. Когда ENIAC включали — огни близлежащего города каждый раз тускнели. ENIAC выполнял всего несколько функций. Сегодня эти операции делает любой карманный калькулятор.
С момента изобретения первого транзистора был совершён огромный скачок вперёд в области компьютерной техники. Транзисторы — более простые в изготовлении, дешевле, легче, надёжнее и потребляют гораздо меньше энергии.
Первый транзистор заменял 40 электронных ламп, работал с большей скоростью, был дешевле и надёжнее.
Как можно заставить транзистор работать на нас? Говоря упрощённо, мы используем для этого программное обеспечение, которое и даёт указания компьютеру на включение и выключение транзисторов и в итоге приводит к решению поставленной задачи. В процессе выполнения любых программ происходит генерация последовательности электрических импульсов (цифровых сигналов) в виде наличия двух уровней напряжения. Данная последовательность и определяет работу транзисторов.
Естественно, чем более универсальным является программное обеспечение и чем больше транзисторов используется , тем более сложную и трудоёмкую работу может выполнить компьютер.
В компьютере транзистор работает как переключатель и состоит из трёх основных элементов: коллектора, эмиттера и базы. Предположим, что коллектор транзистора подключён к положительному полюсу 6 — вольтовой батареи, а эмиттер к отрицательному полюсу. Электроны не будут при этом проходить через транзистор (он закрыт). Но если мы подадим небольшое (открывающее) напряжение, на базу, то транзистор откроется и через него на участке коллектор-эмиттер пойдёт ток .
В компьютере используются миллионы транзисторов. Например процессор Intel core i7 содержит около миллиарда транзисторов.
Процессор Intel core i7 под микроскопом
Транзисторы в процессоре, на материнской плате, различных картах расширения и периферийных устройствах реагируют на цифровые сигналы, поступающие от других устройств.
Таким образом современный компьютер представляет собой набор электронных переключателей – транзисторов.
Пятое поколение
Переход к пятому поколению ЭВМ произошел в конце 80-х годов с появлением микропроцессоров. Именно тогда состоялся переход к работе в оболочках и программных средах. Производительность машин выросла до 10 9 операций в секунду. Разрабатывались ЭВМ, направленные на языки высокого уровня.
Благодаря операционным системам, которые обеспечили простое управление устройством, компьютер стал незаменим практически для каждой сферы человеческой жизни.
Для такого огромного прорыва в области ЭВМ потребовался столь малый отрезок времени. Сегодня уже мало кто помнит те громоздкие машины, которые занимали целые комнаты, но при этом не могли похвастаться производительностью. Применение их ограничивалось определенными сферами. Сегодня же компьютер — незаменимое устройство в жизни каждого человека. При этом нынешние ПК очень маленькие и мощные.
