История развития ЭВМ

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 мм2. 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.

Поколение четвертое. Большие интегральные схемы.

Вы уже знаете, что электромеханические детали счетных машин уступили место  электронным лампам, которые в  свою очередь уступили место транзисторам, а последние - интегральным схемам. Могло создастся впечатление, что технические возможности ЭВМ исчерпаны. В самом деле, что же можно еще придумать?

Чтобы получить ответ на этот вопрос, давайте вернемся к началу 70-х годов. Именно в это  время была предпринята попытка выяснить, можно ли на одном кристалле разместить больше одной интегральной схемы. Оказалось, можно! Развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном-единственном кристалле тысячи интегральных схем. Так, уже в 1980 году, центральный процессор небольшого компьютера оказался возможным разместить на кристалле, площадью всего в четверть квадратного дюйма (1,61 см2). Началась эпоха микрокомпьютеров.

Каково же быстродействие современной микроЭВМ? Оно в 10 раз  превышает быстродействие ЭВМ третьего поколения на интегральных схемах, в 1000 раз - быстродействие ЭВМ второго поколения на транзисторах и в 100000 раз - быстродействие ЭВМ первого поколения на электронных лампах.

Далее, почти 40 лет назад компьютеры типа Юнивак стоили около 2,5 млн. долларов. Сегодня же ЭВМ со значительно большим быстродействием, более широкими возможностями, более высокой надежностью, существенно меньшими габаритами и более простая в эксплуатации стоит примерно 2000 долларов. Каждые 2 года стоимость ЭВМ снижается примерно в 2 раза.

Очень большую  роль в развитии компьютеров сыграли  две ныне гигантские фирмы: Microsoft®  и Intel®. Первая из них очень сильно повлияла на развитие программного обеспечения  для компьютеров, вторая же стала  известна благодаря выпускаемым  ей лучшим микропроцессорам.

Пятое поколение ЭВМ

На ЭВМ пятого поколения ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработки всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие  задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров - устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютер теперь используется и дома, это компьютерные игры, прослушивание высококачественной музыки, просмотр фильмов. Уже сейчас компьютеры способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволяет общаться с компьютерами всем пользователям, даже тем, кто не имеет специальных знаний в этой области.

Параллельно с аппаратным усовершенствованием современных компьютеров разрабатываются и технологические разработки по увеличению количества инструкций. Первой разработкой в этой области стала MMX (MultiMedia eXtension- "мультимедиа–расширение") — технология, которая может превратить "простой" Pentium ПК в мощную мультимедийную систему.

Как известно, на кристалле процессора Pentium интегрирован математический сопроцессор. Этот функциональный блок, который отвечает за "перемалывание  чисел", но на практике, подобные возможности требуются все же достаточно редко, их используют в основном системы САПР и некоторые программы, решающие чисто вычислительные задачи. У большинства пользователей этот блок просто простаивает.

Создавая технологию MMX, фирма Intel стремилась решить две задачи: во-первых, задействовать неиспользуемые возможности, а во-вторых, увеличить производительность ЦП при выполнении типичных мультимедиа-программ. С этой целью в систему команд процессора были добавлены дополнительные инструкции (всего их 57) и дополнительные типы данных, а регистры блока вычислений с плавающей запятой выполняют функции рабочих регистров.

Дополнительные  машинные команды предназначены  для таких операций, как быстрое  преобразование Фурье (функция, используемая при декодировании видео), которые зачастую выполняются специальными аппаратными средствами.

Процессоры, использующие технологию MMX, совместимы с большинством прикладных программ, ведь для "старого" программного обеспечения регистры MMX выглядят точно так же, как обычные  регистры математического сопроцессора. Однако, встречаются и исключения. например, прикладная программа может одновременно обращаться только к одному блоку - либо вычислений с плавающей запятой, либо MMX. В ином случае результат, как правило, не определен и нередко происходит аварийное завершение прикладной программы.

Технология MMX - это генеральное направление  развития архитектуры процессоров. В первую очередь ее преимущества смогут оценить конечные пользователи - мультимедиа-компьютеры стали заметно  мощнее и дешевле.

Эта идея оказалась  настолько удачной, что за ММХ  проследовал «расширенный ММХ», 3DNow!, «расширенный 3DNow!», а потом SSE и сейчас SSE2.

Кроме технологических  решений по увеличению количества инструкций, велась работа и по улучшению процесса производства. Ведь транзисторов для обработки информации становилось все больше и больше, и они в конце концов просто не помещались на кристалл, что приводило к более совершенным решениям. В настоящее время процессоры Intel выпускаются по техпроцессу с нормой в 0,13 мКм, и на одном квадратном миллиметре кристалла располагается миллионы транзисторов. Intel планирует перейти на 0,09 мКм техпроцесс в ближайшем будущем.

Intel Itanium

Последним уже  завершенным процессором Intel является процессов Intel Itanium (IA-64).

По мнению представителей Intel, архитектура процессора Itanium - это  самая значительная разработка со времени  презентации 386-го процессора в 1985 г. Первые образцы 64-разрядного процессора Intel представляют собой картридж размером примерно 10х6 см, который включает в себя кэш-память третьего уровня емкостью 2 либо 4 Мбайт и радиатор. Картридж монтируется в разъем типа Slot и имеет 418 выводов. Процессор имеет трехуровневую иерархию сверхоперативной памяти. Если кэш-память первого и второго уровней интегрирован прямо на кристалле процессора, то микросхемы кэш-памяти третьего уровня расположены на самой плате картриджа. На реализацию процессора с соблюдением проектных норм 0,13 мКм потребовалось около 320 млн. транзисторов, из которых только 25 млн. пришлось на реализацию самого ядра, а остальные — на кэш-память. Самый большой модуль процессора — это блок вычислений с плавающей запятой, он занимает около 10% площади кристалла. Производительность Itanium составляет до 6,4 млрд. операций с плавающей запятой в секунду. Благодаря архитектуре EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) и 15 исполнительным устройствам процессор может выполнять до 20 операций одновременно. При этом он может непосредственно адресовать до 16 Тбайт (240) памяти при пропускной способности до 2,1 Гбайт/с. В процессоре реализована поддержка всех расширений Intel (технологии MMX, eMMX, SSE, и симметричной мультипроцессорной обработки), за исключением SSE2.

Intel рассматривает  Itanium в качестве родоначальника  нового семейства процессоров, которое будет развиваться в ближайшие 25 лет. За первой моделью с кодовым названием Merced последуют McKinley, Madison, Deerfield и другие новые версии. По официальным данным, шесть моделей подобных кристаллов уже находятся на стадии разработки. Ожидается, что процессор McKinley дебютирует с тактовой частотой в 2 ГГц или выше. По имеющейся информации, все 64-разрядные процессоры Intel будут содержать в своем названии слово Itanium, а McKinley, Madison и прочие имена так и останутся кодовыми названиями.

 

Рис. 5. Первая в  мире ЭВМ ENIAC 
 
 
 
 
 
Рис. 6. ЭВМ третьего поколения 
 
 
 
Рис. 7. Микропроцессор (сильно увеличенная фотография в разрезе) 
 
 
 
Рис. 8. Первый персональный компьютер “Apple” 

 

 

4. Перспективы развития

Появление новых  поколений ЭВМ обусловлено расширением  сферы их применения, требующей более  производительной, дешевой и надежной вычислительной техники. В настоящее время стремление к реализации новых потребительских свойств ЭВМ стимулирует работы по созданию машин пятого и последующего поколений. Вычислительные средства пятого поколения, кроме более высокой производительности и надежности при более низкой стоимости, обеспечиваемых новейшими электронными технологиями, должны удовлетворять качественно новым функциональным требованиям:

• работать с  базами знаний в различных предметных областях и организовывать на их основе системы искусственного интеллекта;

• обеспечивать простоту применения ЭВМ путем реализации эффективных систем ввода-вывода информации голосом, диалоговой обработки информации с использованием естественных языков, устройств распознавания речи и изображения;

• упрощать процесс  создания программных средств путем автоматизации синтеза программ.

В настоящее  время ведутся интенсивные работы как по созданию ЭВМ пятого поколения  традиционной (неймановской) архитектуры, так и по созданию и апробации  перспективных архитектур и схемотехнических решений. На формальном и прикладном уровнях исследуются архитектуры на основе параллельных абстрактных вычислителей (матричные и клеточные процессоры, систолические структуры, однородные вычислительные структуры, нейронные сети и др.) Развитие вычислительной техники с высоким параллелизмом во многом определяется элементной базой, степенью развития параллельного программного обеспечения и методологией распараллеливания алгоритмов решаемых задач.

Проблема создания эффективных систем параллельного  программирования, ориентированных на высокоуровневое распараллеливание алгоритмов вычислений и обработки данных, представляется достаточно сложной и предполагает дифференцированный подход с учетом сложности распараллеливания и необходимости синхронизации процессов во времени.

Наряду с  развитием архитектурных и системотехнических решений ведутся работы по совершенствованию  технологий производства интегральных схем и по созданию принципиально  новых элементных баз, основанных на оптоэлектронных и оптических принципах.

В плане создания принципиально новых архитектур вычислительных средств большое внимание уделяется проектам нейрокомпьютеров, базирующихся на понятии нейронной сети (структуры на формальных нейронах), моделирующей основные свойства реальных нейронов. В случае применения био- или опто-элементов могут быть созданы соответственно биологические или оптические нейрокомпыотеры. Многие исследователи считают, что в следующем веке нейрокомпьютсры в значительной степени вытеснят современные ЭВМ, используемые для решения трудноформализуемых задач. Последние достижения в микроэлектронике и разработка элементной базы на основе биотехнологий дают возможность прогнозировать создание биокомпыотеров.

Важным направлением развития вычислительных средств пятого и последующих поколений является интеллектуализация ЭВМ, связанная с наделением ее элементами интеллекта, интеллектуализацией интерфейса с пользователем и др. Работа в данном направлении, затрагивая, в первую очередь, программное обеспечение, потребует и создания ЭВМ определенной архитектуры, используемых в системах управления базами знаний, — компьютеров баз знаний, а так же других подклассов ЭВМ. При этом ЭВМ должна обладать способностью к обучению, производить ассоциативную обработку информации и вести интеллектуальный диалог при решении конкретных задач.

В заключение отметим, что ряд названных вопросов реализован в перспективных ЭВМ пятого поколения  либо находится в стадии технической  проработки, другие — в стадии теоретических  исследований и поисков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение 
      К сожалению,  невозможно  в рамках одного проекта охватить  всю историю компьютеров. Можно было бы еще долго рассказывать о  том,  как  в  маленьком городке  Пало-Альто  (штат  Калифорния)  в  научно- исследовательском  центре Xerox PARK собрался  цвет программистов  того  времени,  чтобы  разработать революционные концепции, в корне изменившие образ машин, и проложить  дорогу для компьютеров конца XX века. Как талантливый школьник  Билл  Гейтс  и  его друг Пол Аллен познакомились с Эдом Робертсом и создали  удивительный  язык БЕЙСИК  для  компьютера  Altair,  что  позволило  разрабатывать  для   него прикладные   программы.   Как   постепенно   менялся   облик   персонального компьютера, появились монитор и клавиатура, накопитель на  гибких  магнитных дисках, так называемых дискетах,  а  затем  и  жесткий  диск.  Неотъемлемыми принадлежностями стали принтер и  «мышь».  Можно  было  бы  рассказать  и  о невидимой войне на компьютерных рынках  за  право  устанавливать  стандарты между  огромной  корпорацией  IBM,  и  молодой Apple,  дерзнувшей   с   ней соревноваться, заставившей весь мир решать, что же лучше Macintosh или  PC? И о  многих  других  интересных  вещах,  происходивших  совсем  недавно,  но ставших уже историей.