История развития вычислительной техники

      С появлением памяти на магнитных  сердечниках цикл ее работы  уменьшился до десятков микросекунд.  Главный принцип структуры – централизация. Появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, устройства памяти на магнитных дисках.

      Кроме этого, появилась возможность  программирования на алгоритмических  языках. Были разработаны первые  языки высокого уровня – Фортран, Алгол, Кобол. Быстродействие машин 2-го поколения уже достигала 100-5000 тыс. оп./сек.

      Примеры машин второго поколения:  БЭСМ-6, БЭСМ-4, Минск-22 – предназначены  для решения научно-технических  и планово-экономических задач;  Минск-32(СССР), ЭВМ М-40, -50 – для систем противоракетной обороны; Урал -11, -14, -16 – ЭВМ общего назначения, ориентированные на решение инженерно-технических задач.  

    6.3 Третье поколение ЭВМ

      В ЭВМ третьего поколения (1968-1973 гг.) использовались интегральные  схемы. Разработка в 60-х годах интегральных схем – целых устройств и узлов из десятков и сотен транзисторов, выполненных на одном кристалле полупроводника (то, что сейчас называют микросхемами) привело к созданию ЭВМ 3-го поколения. В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной. Применение интегральных схем намного увеличило возможности ЭВМ.

      Теперь центральный процессор  получил возможность параллельно  работать и управлять многочисленными периферийными устройствами. ЭВМ могли одновременно обрабатывать несколько программ (принцип мультипрограммирования). В результате реализации принципа мультипрограммирования появилась возможность работы в режиме разделения времени в диалоговом режиме. Удаленные от ЭВМ пользователи получили возможность, независимо друг от друга, оперативно взаимодействовать с машиной.

    Компьютеры  проектировались на основе интегральных схем малой степени интеграции (МИС  – 10-100 компонентов на кристалл) и средней степени интеграции (СИС – 10-1000 компонентов на кристалл). Появилась идея, которая и была реализована, проектирования семейства компьютеров с одной и той же архитектурой, в основу которой положено главным образом программное обеспечение. В конце 60-х появились мини-компьютеры. В 1971 году появился первый микропроцессор. Быстродействие компьютеров 3-го поколения достигло порядка 1 млн. оп./сек.

      В эти годы производство компьютеров  приобретает промышленный размах. Начиная с ЭВМ 3-го поколения,  традиционным стала разработка серийных ЭВМ. Хотя машины одной серии сильно отличались друг от друга по возможностям и производительности, они были информационно, программно и аппаратно совместимы. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM. Странами СЭВ были выпущены ЭВМ единой серии "ЕС ЭВМ": ЕС-1022, ЕС-1030, ЕС-1033, ЕС-1046, ЕС-1061, ЕС-1066 и др. К ЭВМ этого поколения также относится "IВМ-370", "Электроника-100/25", "Электроника-79", "СМ-3", "СМ-4" и др.

      Для серий ЭВМ было сильно расширено программное обеспечение (операционные системы, языки программирования высокого уровня, прикладные программы и т.д.). В 1969 году одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое передовое положение.  

    6.4 Четвертое поколение ЭВМ

      В компьютерах четвертого поколения  (1974-1982 гг.), использование больших  интегральных схем (БИС – 1000-100000 компонентов на кристалл) и сверхбольших  интегральных схем (СБИС – 100000-10000000 компонентов на кристалл), увеличило их быстродействие до десятков и сотен млн. оп./сек.

      Началом данного поколения считают  1975 год – фирма Amdahl Corp. выпустила  шесть компьютеров AMDAHL 470 V/6, в  которых были применены БИС в качестве элементной базы. Стали использоваться быстродействующие системы памяти на интегральных схемах – МОП ЗУПВ емкостью в несколько мегабайт. В случае выключения машины данные, содержащиеся в МОП ЗУПВ, сохраняются путем автоматического переноса на диск. При включении машины запуск системы осуществляется при помощи хранимой в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) программы самозагрузки, обеспечивающей выгрузку операционной системы и резидентного программного обеспечения в МОП ЗУПВ.

      Развитие ЭВМ 4-го поколения пошло по 2 направлениям: 1-ое направление – создание суперЭВМ – комплексов многопроцессорных машин. Быстродействие таких машин достигает нескольких миллиардов операций в секунду. Они способны обрабатывать огромные массивы информации. Сюда входят комплексы ILLIAS-4, CRAY, CYBER, "Эльбрус-1", "Эльбрус-2" и др. Многопроцессорные вычислительные комплексы (МВК) "Эльбрус-2" активно использовались в Советском Союзе в областях, требующих большого объема вычислений, прежде всего, в оборонной отрасли.

     2-ое  направление – дальнейшее развитие  на базе БИС и СБИС микро-ЭВМ  и персональных ЭВМ (ПЭВМ) . Первыми  представителями этих машин являются  компьютеры фирмы Apple, IBM - PC ( XT , AT , PS /2), отечественные "Искра", "Электроника", "Мазовия", "Агат", "ЕС-1840", "ЕС-1841" и др. Начиная с этого поколения ЭВМ стали называть компьютерами. Программное обеспечение дополняется базами и банками данных.  
 
 

    6.5. Пятое поколение ЭВМ

      ЭВМ пятого поколения – это  ЭВМ будущего. Программа разработки, так называемого, пятого поколения ЭВМ была принята в Японии в 1982 г. Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта. С помощью языка Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки – задачи хранения и обработки знаний. Коротко говоря, для компьютеров пятого поколения не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на "почти естественном" языке, что от них требуется.

      Предполагается, что их элементной  базой будут служить не СБИС, а созданные на их базе устройства  с элементами искусственного  интеллекта. Для увеличения памяти  и быстродействия будут использоваться  достижения оптоэлектроники и биопроцессоры.

      Для 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.

    К сожалению, японский проект ЭВМ пятого поколения повторил трагическую  судьбу ранних исследований в области  искусственного интеллекта. Более 50-ти миллиардов йен инвестиций были потрачены  впустую, проект прекращен, а разработанные устройства по производительности оказались не выше массовых систем того времени. Однако, проведенные в ходе проекта исследования и накопленный опыт по методам представления знаний и параллельного логического вывода сильно помогли прогрессу в области систем искусственного интеллекта в целом.

    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.

    Многие  успехи, которых достиг искусственный  интеллект, используют в промышленности и деловом мире. Экспертные системы  и нейронные сети эффективно используются для задач классификации (фильтрация СПАМа, категоризация текста и т.д.). Добросовестно служат человеку генетические алгоритмы (используются, например, для оптимизации портфелей в инвестиционной деятельности), робототехника (промышленность, производство, быт – везде она приложила свою кибернетическую руку), а также многоагентные системы. Не дремлют и другие направления искусственного интеллекта, например распределенное представление знаний и решение задач в интернете: благодаря им в ближайшие несколько лет можно ждать революции в целом ряде областей человеческой деятельности.  

    7. Заключение

    Потребность в более быстрых, дешевых и  универсальных процессорах вынуждает  производителей постоянно наращивать число транзисторов в них. Однако этот процесс не бесконечен. Поддерживать экспоненциальный рост этого числа, предсказанный Гордоном Муром в 1973 году, становится все труднее. Специалисты утверждают, что этот закон перестанет действовать, как только затворы транзисторов, регулирующие потоки информации в чипе, станут соизмеримыми с длиной волны электрона(в кремнии, на котором сейчас строится производство, это порядка 10 нанометров). И произойдет это где-то между 2010 и 2020 годами. По мере приближения к физическому пределу архитектура компьютеров становится все более изощренной, возрастает стоимость проектирования, изготовления и тестирования чипов. Таким образом, этап эволюционного развития рано или позно сменится революционными изменениями.

    В результате гонки наращивания производительности возникает множество проблем. Наиболее острая из них – перегрев в сверхплотной упаковке, вызванный существенно меньшей площадью теплоотдачи. Концентрация энергии в современных микропроцессорах чрезвычайно высока. Нынешние стратегии рассеяния образующегося тепла, такие как снижение питающего напряжения или избирательная активация только нужных частей в микроцепях малоэффективны, если не применять активного охлаждения.

    С уменьшением размеров транзисторов стали тоньше и изолирующие слои, а значит, снизилась и их надежность, поскольку электроны могут проникать через тонкие изоляторы(туннельный эффект). Данную проблему можно решить снижением управляющего напряжения, но лишь до определенных пределов.

    На  сегодняшний день основное условие  повышения производительности процессоров – методы параллелизма. Как известно, микропроцессор обрабатывает последовательность инструкций(команд), составляющих ту или иную программу. Если организовать параллельное (то есть одновременное) выполнение инструкций, общая производительность существенно вырастет. Решается проблема параллелизма методами конвейеризации вычислений, применением суперскалярной архитектуры и предсказанием ветвлений.

    Многоядерная  архитектура. Эта архитектура подразумевает интегрирование нескольких простых микропроцессорных ядер на одном чипе. Каждое ядро выполняет свой поток инструкций. Каждое микропроцессорное ядро значительно проще, чем ядро многопотокового процессора, что упрощает проектирование и тестирование чипа. Но между тем усугубляется проблема доступа к памяти, необходима замена компиляторов.

    Многопотоковый  процессор. Данные процессоры по архитектуре напоминают трассирующие: весь чип делится на процессорные элементы, напоминающие суперскалярный микропроцессор. В отличие от трассирующего процессора, здесь каждый элемент обрабатывает инструкции различных потоков в течение одного такта, чем достигается параллелизм на уровне потоков. Разумеется, каждый поток имеет свой программный счетчик и набор регистров.

    "Плиточная"  архитектура. Сторонники считают, что ПО должно компилироваться прямо в "железе", так как это даст максимальный параллелизм. Такой подход требует достаточно сложных компиляторов, которые пока еще не созданы. Процессор в данном случае состоит из множества "плиток" (tiles), каждая из которых имеет собственное ОЗУ и связана с другими "плитками" в своеобразную решетку, узлы которой можно включать и отключать. Очередность выполнения инструкций задается ПО.

    Многоэтажная архитектура. Здесь речь идет не о логической, а о физической структуре. Идея состоит в том, что чипы должны содержать вертикальные "штабеля" микроцепей, изготовленных по технологии тонкопленочных транзисторов, заимствованной из производства TFT-дисплеев. При этом относительно длинные горизонтальные межсоединения превращаются в короткие вертикальные, что снижает задержку сигнала и увеличивает производительность процессора. Идея "трехмерных" чипов уже реализована в виде работающих образцов восьмиэтажных микросхем памяти. Вполне возможно, что она приемлема и для микропроцессоров, и в недалеком будущем все микрочипы будут наращиваться не только горизонтально, но и вертикально.