Развитие технологических основ информатики

К концу прошлого века производством компьютеров  уже занялось довольно много фирм. Теперь они продавались в полной комплектации, с монитором, клавиатурой  и другими периферийными устройствами. Росту популярности персональных компьютеров способствовали также появившиеся тогда прикладные программы – текстовые и табличные процессоры, программы для финансовых расчетов и так далее.

По этапам создания и  используемой элементной базе ЭВМ условно  делятся на поколения:

Первое поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах.

Второе поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).

Третье поколение, 70-е годы: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе).

Четвертое поколение, 80-е годы: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах – микропроцессорах (десятки тысяч - миллионы транзисторов в одном корпусе).

Пятое поколение, 90-е годы: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;

Шестое и последующие поколения; оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейтронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейтронных биологических систем.

Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предыдущими существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличивается, как правило, больше чем на порядок.

2. Полупроводниковые интегральные схемы – технологическая основа развития информатики со второй половины XX века до наших дней.

Качественное  изменение ЭВМ произошло после  эпохального открытия – изобретения в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли полевого транзистора. Применение полупроводниковых транзисторов вместо вакуумных ламп (триодов) позволило существенно уменьшить размеры и энергопотребление машин второго поколения и повысить их быстродействие и надежность.

Дальнейшее  развитие компьютеров связано с  использованием интегральных схем, впервые изготовленных в 1960 году американцем Робертом Нойсом. Интегральная схема – это множество, от десятков до миллионов, транзисторов, размещенных на одном кристалле полупроводника. Использование интегральных схем (компьютеры третьего поколения), больших и сверхбольших интегральных схем (четвертое поколение) привело к значительному упрощению процесса изготовления ЭВМ и увеличению их быстродействия. В 80-е годы началось изготовление персональных компьютеров, которые постепенно приобрели современный вид. Примерно тогда же появились первые мобильные компьютеры, или ноутбуки. Огромной производительности достигли многопроцессорные вычислительные комплексы — так называемые суперкомпьютеры.

Второе поколение  компьютеров создавалось в период с 1955 по 1964гг. Успехи полупроводниковой технологии привели к смене элементной базы. Запоминающие устройства на магнитных сердечниках, магнитных барабанах и магнитных лентах вытеснили полностью запоминающие устройства на электронно-лучевых трубках и ртутных ультразвуковых линиях задержки, применяемых в компьютерах первого поколения, используется оперативная память на феррит-диодных ячейках.

Переход к полупроводниковой  технологии позволил значительно уменьшить  габариты и потребляемую компьютером  мощность. Быстродействие, надежность и скорость вычислений повысились в несколько раз, транзисторный компьютер IBM 7090 позволил решать задачи в 5 раз быстрее, чем его ламповый аналог IBM 709.

Впервые идея создания интегральных схем – устройств, вмещающих в себя, как минимум, фрагменты электронных схем, начала активно обсуждаться в 1952 году в Англии. Начало этому положил эксперт по радарам Дж. Даммер (G.W.A. Dummer). В 1952 году Г.В. Даммер выдвинул идею создания монолитной полупроводниковой интегральной схемы, но только в 1962 году началось промышленное производство интегральных схем [5].

Благодаря интегральным схемам удалось значительно улучшить технические и эксплуатационные характеристики компьютеров. Быстрыми темпами развивалась технология производства больших интегральных схем. В 1971 году фирма Intel выпустила первый 4-х разрядный микропроцессор, выполненный на одном кристалле и способный выполнять набор из 45 команд, в то время его называли микропрограммным компьютером на одном кристалле.

Микропроцессор содержал 2300 транзисторов на кристалле, тактовая частота составляла 108 кГц, быстродействие 60000 оп/сек., адресуемая память 640 байт.

В 1974г. эта же фирма выпустила 8-разрядный микропроцессор 8080, выполняющий набор из 75 команд.

Технологической основой  разработки полупроводниковых интегральных схем явилась планарная диффузионная технология изготовления кремниевых транзисторов.

Появление ИС означало подлинную  революцию в вычислительной технике. Всего одна микросхема способна заменить тысячи, миллионы транзисторов. Один крошечный кристалл обладает значительно большими вычислительными возможностями, чем 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.

Первый экспериментальный  компьютер на интегральных схемах был  создан фирмой "Тексас Инструментс" по контракту с ВВС США.

Для создания компьютера использовалось 587 интегральных схем, потребляемая мощность составляла всего 16вт., вес 585 гр., занимаемый объем 100 кубических сантиметров.

Вначале для  производства компьютеров использовались схемы малой интеграции. Совершенствование  технологии позволило усложнить  микросхемы, появились микросхемы средней интеграции (СИС)

Затем из всего  многообразия микросхем были выделены функционально-полные комплекты интегральных схем, предназначенные для построения контроллеров и вычислительных машин.

Для вычислительной техники характерно использование большого количества однотипных логических элементов, особенно в устройствах памяти. Технология изготовления интегральных схем памяти проще, отличается повторяемостью соединений, потому первыми большими интегральными схемами стали БИС памяти. БИС содержали от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч элементов на кристалле.

Компьютер IBM360, выпущенный в 1964 году, можно считать  типичным универсальным компьютером  третьего поколения, определившим общие  черты компьютеров этого класса.

Возрастает по численности новый класс машин, класс миникомпьютеров. Структура миникомпьютера была проста, производительность некоторых миникомпьютеров достигала нескольких миллионов операций в секунду, что превышало скорость работы многих универсальных компьютеров. Представителями этого класса машин были миникомпьютеры фирмы DEC (Digital Equipment Corporation), которая выпустила в 1963 году компьютер PDP5 (Programed Data Processor 5), а в 1965 году – PDP8. Это были 8-разрядные, просто устроенные, неприхотливые и небольшие по габаритам компьютеры.

Создаются сверхпроизводительные  компьютеры с конвейерной (потоковой), матричной, ассоциативной и мультипроцессорной архитектурой. Каждый тип архитектуры  предназначен для решения своего типа задач, Эти компьютеры уже не являются универсальными в широком смысле слова.

В 1972 году был  создан сверхпроизводительный компьютер ILIAC4 (США) с конвейерной архитектурой, включавшей 64 процессора. Это был  наиболее крупный проект среди компьютеров  третьего поколения. Разрабатывали  компьютер сотрудники Илинойского университета во главе с Д.Слотником. Компьютер был предназначен для решения системы уравнений в частных производных при помощи итерационных разностных схем. Решение такой задачи может быть ускорено в 64 раза по сравнению с последовательным вычислением на однопроцессорном  компьютере. Максимальное быстродействие компьютера 200 млн.операций в секунду. Оперативная память была выполнена на интегральных схемах.

Четвертое поколение компьютеров создавалось на БИС средней интеграции и СБИС. Высокая степень интеграции БИС, повышенное быстродействие, высокая степень надежности, снижение стоимости, все это позволило значительно уменьшить размеры компьютеров, достигнуть быстродействия порядка сотен миллионов операций в секунду.

Появился новый класс ЭВМ – микрокомпьютеры. Процессор микрокомпьютера собирался теперь из одной или нескольких микропроцессорных БИС. Развивается производство заказных БИС, выполняющих определенные функции. Для построения микрокомпьютера стала использоваться открытая архитектура, позволяющая наращивать вычислительную мощность компьютера простым подключением дополнительных модулей. Дополнительно вводятся микросхемы памяти в процессор и микросхемы памяти, обеспечивающие обмен информацией между процессором и внешними устройствами (кэш первого и второго уровней). Компьютеры стали доступны по цене отдельным пользователям. Это привело к широкому производству персональных компьютеров.

Пятое поколение  создано на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кристалле.

Современные компьютеры спроектированы по принципам архитектуры  Фон Неймана (Von Neumann architecture). Компьютеры 5 поколения отличаются от предыдущих главным образом широкими коммуникационными возможностями и повышением степени интеграции полупроводников элементной базы (сверхвысокая интеграция).

Компьютеры постепенно становились все более компактными, а на рынке появились карманные варианты – PDA (Personal Digital Assistant).

К шестому поколению компьютеров относятся оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейтронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейтронных биологических систем [7].

Альтернатива замены современных компьютеров, это создание оптических компьютеров, носителем информации в которых будет световой поток.

Проникновение оптических методов в вычислительную технику ведется по трем основным направлениям. Первое основано на использовании аналоговых интерференционных оптических вычислений для решения отдельных специальных задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований. Второе направление связано с использованием оптических соединений для передачи сигналов на различных ступенях иерархии элементов вычислительной техники, т.е. создание чисто оптических или гибридных (оптоэлектронных) соединений вместо обычных, менее надежных, электрических соединений. При этом в конструкции компьютера появляются новые элементы – оптоэлектронные преобразователи электрических сигналов в оптические и обратно. Но самым перспективным направлением развития оптических вычислительных устройств является создание компьютера, полностью состоящего из оптических устройств обработки информации [9].

Переход к новой общественно-экономической формации постиндустриального общества выдвигаются на первый план такие технологии, как генетика и биоинженерия, нанотехнологии и нейроинформатика.

Нейроинформатика, будучи основанной на принципах и  механизмах функционирования мозга, способна обеспечить как технологическое, так и информационное превосходство. Неслучайно сегодня нейрокомпьютеры занимают одно из важнейших мест среди перспективных разработок вооружения и военной техники.

Известно несколько  реализаций в кристаллах нейропроцессоров различных моделей нейронных сетей. Одни работают лучше, другие хуже, но всех их объединяет одно – стремление проникнуть в тайны человеческого мозга.

В каталогах  продукции фирмы Intel (которая занимает одно из передовых положений по инновационным разработкам в области нанотехнологий и нейроинформатики) особняком стоят две разработки, выполненные по заказу DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency): аналоговый нейропроцессор i80170NX и цифровой – i80160NC или Ni1000.

Нейропроцессоры являются сердцем нового поколения вычислительной техники – нейрокомпьютеров. Основой функционирования подобных машин является моделирование способов переработки информации нервной системой и головным мозгом человека [8].

Пока никто  не может ответить, какой конкретно физический принцип заменит полупроводниковые технологии (биокомпьютеры, квантовые компьютеры, оптические компьютеры, неоркомпьютеры или какие-нибудь еще). Но развитие информационных технологий все равно будет продолжаться, поскольку полученные результаты важны не только для создания компьютеров новых поколений, но также и для коммуникаций и сети Internet.

3. Закон Мура

«Число транзисторов, которое можно включить в состав интегральной схемы, удваивается примерно каждые два года».

Американский  компьютерный инженер и бизнесмен  Гордон Эрл Мур, впоследствии один из основателей корпорации Intel, сформулировал данный «закон» 19 апреля 1965 году

40 лет назад  микроэлектроника пребывала в  зачаточном состоянии. Чипов тогда  производилось совсем мало, в самой сложной микросхеме компании Fairchild было всего 64 транзистора, о каких-либо достоверных статистических данных в этой отрасли не приходилось и говорить. Остается лишь поражаться, как в таких обстоятельствах Гордон Мур сумел предугадать фантастические темпы развития всей отрасли на несколько десятилетий вперед и предсказать, что количество транзисторов на чипе ежегодно будет удваиваться. Более того, одновременно он сделал провидческий прогноз последствий этого, предсказав, что по мере экспоненциального увеличения числа транзисторов на микросхеме процессоры будут становиться все более дешевыми и быстродействующими, а их производство – все более массовым.

По своей  сути закон Мура является не законом природы, а, скорее, эмпирическим правилом. В своей первоначальной формулировке он действовал до 1975 года, когда, выступая на конференции "International Electron Devices Meeting", Гордон Мур внес в него коррективы, высказав предположение, что при производстве все более сложных чипов удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года (Таблица 1) [6].