Поколения ЭВМ

Эра электронных вычислительных машин началась в 40-х годах XX века и связана с работами таких теоретиков и практиков вычислительной техники как Алан Тьюринг (Великобритания), Конрад Цузе (Германия), Клод Шеннон, Джон Атанасофф, Говард Эйкен, Преспер Экерт, Джон фон Нейман (США) и других ученых и инженеров.

В 1943 году по заказу ВМФ США при финансовой и технической поддержке фирмы IBM под руководством Г. Эйкена была создана первая универсальная цифровая вычислительная машина Mark 1.Она достигала 17 м в длину и более 2,5 м в высоту. В качестве переключательных устройств использовались электромеханические реле, данные вводились на перфоленте в десятичной системе счисления. Эта машина могла выполнять сложение и вычитание 23-разрядных чисел за 0,3 с, умножать два числа за 3 с и использовалась для расчета траектории полета артиллерийских снарядов.

За два года до этого в Германии под руководством К. Цузе была создана электромеханическая вычислительная машина Z-3, основанная на двоичной системе счисления. Эта машина была значительно меньше машины Эйкена и гораздо дешевле в производстве. Она использовалась для расчетов, связанных с конструированием самолетов и ракет. Но дальнейшее ее развитие (в частности, идеи перевода на вакуумные электронные лампы) не получили поддержки правительства Германии.

В Великобритании в конце 1943 года вошла в строй вычислительная машина Colossus, в которой вместо электромеханических реле содержалось около 2000 электронных ламп. В ее разработке активное участие принял математик А. Тьюринг с его идеями по формализации описания расчетных задач. Но эта машина имела узкоспециализированный характер: была предназначена для дешифровки немецких кодов путем перебора различных вариантов. Скорость обработки достигала 5000 символов в секунду.

Первой ламповой универсальной цифровой вычислительной машиной считают ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), которая была создана в 1946 году по заказу Министерства обороны США под руководством П. Экерта. Она содержала более 17000 электронных ламп и работала с десятичной арифметикой. По своим размерам (около 6 м в высоту и 26 м в длину) машина более чем вдвое превосходила Mark-1, но и быстродействие ее было намного больше – до 300 операций умножения в секунду. На этом компьютере были проведены расчеты, подтверждающие принципиальную возможность создания водородной бомбы.

Следующая модель (1945-1951 гг.) тех же разработчиков – машина EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) имела более вместительную внутреннюю память, в которую можно было записывать не только данные, но и программу. Система кодировки была уже двоичной, что позволило значительно сократить количество электронных ламп.

В этой разработке в качестве консультанта принимал участие талантливый математик Д. фон Нейман. В 1945 году он опубликовал "Предварительный доклад о машине EDVAC ", в котором описал не только конкретную машину, но и сумел обрисовать формальную, логическую организацию компьютера, выделил и детально обрисовал ключевые компоненты того, что сейчас называют "архитектурой фон Неймана" (рис. 1).

Исходной точкой отсчета истории нашей отечественной вычислительной техники считается 1948 год, когда сотрудники Энергетического института АН СССР Исаак Брук и Башир Рамеев получили авторское свидетельство на изобретение "Автоматическая цифровая вычислительная машина". В том же 1948 году в Институте электротехники АН УССР под руководством академика Сергея Лебедева начались работы над проектом создания МЭСМ - малой электронной счетной машины.

В период с 1948 по 1952 гг. создавались опытные образцы, единичные экземпляры вычислительных машин, которые, также как и в США, использовались одновременно как для проведения особо важных расчетов (зачастую засекреченных), так и для отладки конструкторских и технологических решений.

Архитектура машины фон Неймана
Рис. 1 - Архитектура "машины фон Неймана"

В дальнейшем работы в области создания ЭВМ велись в нескольких направлениях.

Например, проекты С.А. Лебедева.  МЭСМ, введенная в строй в декабре 1951 года,  стала первой действующей ЭВМ в СССР. В 1953 году С.А. Лебедев стал директором московского Института точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) и возглавил разработку серии знаменитых БЭСМ (больших электронных счетных машин): от БЭСМ-1 до БЭСМ-6. Каждая машина этой серии на момент своего создания была лучшей в классе универсальных ЭВМ.

БЭСМ-1 (1953 г.) имела 5000 электронных ламп, выполняла 8...10 тыс. операций в секунду. Ее особенностью стало введение операций над числами с плавающей запятой с обеспечением большого диапазона используемых чисел. На БЭСМ-1 были испытаны в реальной эксплуатации три типа оперативной памяти объемом 1024 39-разрядных слова:

  1. на электроакустических ртутных трубках (линиях задержки); память такого типа использовалась в EDSAC и EDVAC;
  2. на электронно-лучевых трубках (потенциалоскопах);
  3. на ферритовых магнитных сердечниках.

Внешняя память была выполнена на магнитных барабанах и магнитных лентах.

Особое место в истории развития отечественной вычислительной техники занимает БЭСМ-6, серийно выпускавшаяся с 1967 года в течение 17 лет. В ее архитектуре был реализован принцип распараллеливания вычислительных процессов, и ее производительность – 1 млн. операций в секунду – была рекордной для середины 60-х годов. На БЭСМ-6 появились первые полноценные операционные системы, мощные трансляторы, ценнейшая библиотека стандартных подпрограмм, реализующих численные методы решения различных задач, всё – отечественного производства.

К концу 60-х годов в нашей стране выпускалось около 20 типов ЭВМ общего назначения - серии БЭСМ (Москва, С.А.Лебедев), Урал (Пенза, Б.И.Рамеев), Днепр, Мир (Киев, В.М.Глушков), Минск (Минск, В. Пржиялковский) и другие, а также специализированные машины преимущественно для оборонного ведомства. Кстати, в отличие от Запада, где "двигателями прогресса" в области вычислительной техники были не только военные, но и представители делового мира, в СССР ими были только военные. Но постепенно и ученые, и хозяйственники, и чиновники стали осознавать роль вычислительных машин в экономике страны и насущную необходимость в разработке машин нового поколения. 

Встал вопрос о переходе к индустрии ЭВМ. В декабре 1969 году на правительственном уровне было принято решение выбрать в качестве промышленного стандарта для универсальных вычислительных машин единой серии (ЕС ЭВМ) серии машин IBM S/360. Первая машина этой серии – ЕС-1020 была выпущена в 1971 году.
Производство ЕС ЭВМ было налажено совместно с другими социалистическими странами в рамках СЭВ (Совета по экономической взаимопомощи). Многие ученые выступили против копирования систем IBM, но предложить что-то взамен в качестве единого стандарта не смогли.
Конечно, идеальным вариантом была бы реализация архитектурных принципов IBM в сотрудничестве с самой компанией, и не семейства почти пятилетней давности, а самых современных моделей, и в сочетании с всесторонней поддержкой собственных разработок. Но на всё у государства не хватало средств, и пошли по более простому варианту. Так начался закат отечественной индустрии вычислительной техники.
Отметим, что отставание от Запада было обусловлено вовсе не решением копировать машины IBM. Технологическая база производства элементов, на которых строились компьютеры, стала с угрожающей быстротой отставать от мировой. Чем больше требовалось вкладывать средств в развитие микроэлектроники, тем труднее было поддерживать необходимый уровень. Отставание элементной базы, неповоротливость централизованной экономики, отсутствие конкуренции, зависимость разработчиков и производителей от чиновников Госплана не позволили повторить компьютерную революцию, которая происходила в годы создания ЕС на Западе.

Если в качестве основной характеристики ЭВМ принять ее элементную базу, то в истории их развития можно выделить четыре поколения (таблица).
Таблица  - Основные характеристики ЭВМ различных поколений


Поколение

1

2

3

4

Период, гг

1946 -1960

1955-1970

1965-1980

1980-наст. вр.

Элементная база

Вакуумные электронные лампы

Полупроводниковые диоды и транзисторы

Интегральные схемы

Сверхбольшие интегральные схемы

Архитектура

Архитектура фон Неймана

Мультипрограммный режим

Локальные сети ЭВМ, вычислительные системы коллективного пользования

Многопроцессорные системы, персональные компьютеры, глобальные сети

Быстродействие

10 – 20 тыс. оп/с

100-500 тыс. оп/с

Порядка 1 млн. оп/с

Десятки и сотни млн. оп/с

Программное обеспечение

Машинные языки

Операционные системы, алгоритмические языки

Операционные системы, диалоговые системы, системы машинной графики

Пакеты прикладных программ, базы данных и знаний, браузеры

Внешние устройства

Устройства ввода с перфолент и перфокарт,

АЦПУ, телетайпы, НМЛ, НМБ

Видеотерминалы, НЖМД

НГМД, модемы, сканеры, лазерные принтеры

Применение

Расчетные задачи

Инженерные, научные, экономические задачи

АСУ, САПР, научно – технические задачи

Задачи управления, коммуникации, создание АРМ, обработка текстов, мультимедиа

Примеры

ENIAC , UNIVAC ( США);
БЭСМ - 1,2, М-1, М-20 (СССР)

IBM 701/709 (США)
БЭСМ-4, , М-220, Минск, БЭСМ-6 (СССР)

IBM  360/370, PDP -11/20, Cray -1 (США);
ЕС 1050, 1066,
Эльбрус 1,2 (СССР)

Cray T3 E, SGI (США),
ПК, серверы, рабочие станции различных производителей

Что мы назовем компьютерами пятого поколения?
В настоящее время прорабатывается несколько принципиально отличающихся направлений:

  1. оптический компьютер, в котором все компоненты будут заменены их оптическими аналогами (оптические повторители, оптоволоконные линии связи, память на принципах голографии;
  2. молекулярный компьютер, принцип действия которого будет основан на способности некоторых молекул находиться в различных состояниях;
  3. квантовый компьютер, состоящий из компонентов субатомного размера и работающий по принципам квантовой механики.

Принципиальная возможность создания таких компьютеров подтверждена как теоретическими работами, так и действующими компонентами запоминающих и логических схем.

загрузка...