История развития ЭВМ. XX век

Четвертое поколение ЭВМ

1974-. использование БИС (1т-100т компонентов на кристалл) и СБИС (100т-10млн), увеличило их быстродействие до 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 емкостью в несколько мегабайт. В случае выключения машины данные сохраняются путем автоматического переноса на диск. При включении машины запуск системы осуществляется при помощи, хранимой в ПЗУ программы самозагрузки, обеспечивающей выгрузку ОС и резидентного ПО.

Развитие  ЭВМ 4-го поколения пошло по 2 направлениям:

1ое – 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. Эльбрус-2 активно использовался в СССР в оборонной отрасли.

2-ое – дальнейшее развитие на базе БИС и СБИС микро-ЭВМ и персональных ЭВМ. Первыми представителями этих машин являются компьютеры фирмы Apple, IBM, отечественные Искра и др. Начиная с этого поколения ЭВМ стали называть компьютерами. ПО дополняется базами данных.

Пятое поколение ЭВМ

ЭВМ пятого поколения – это ЭВМ будущего. Программа разработки пятого поколения ЭВМ была принята в Японии в 1982. Предполагалось, что к 1991 будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач ИИ. 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 ИИ. Для увеличения памяти и быстродействия будут использоваться достижения оптоэлектроники и биопроцессоры.

Для ЭВМ  пятого поколения ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработке всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с 1 по 4 поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ 5 поколения является создание ИИ машины, т.е. устранения барьера между человеком и компьютером.

К сожалению, японский проект ЭВМ 5 поколения повторил трагическую судьбу ранних исследований в области ИИ. Более 50 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 ИИ 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 ИИ, используют в промышленности и деловом мире. Экспертные системы и нейронные сети эффективно используются для фильтрации СПАМа.

На современном этапе

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, 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 10нм). И произойдет это до 2020. 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 поздно 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. Данную проблему можно  решить снижением управляющего напряжения, но лишь до определенных пределов.

На сегодняшний  день основное условие повышения  производительности процессоров –  методы параллелизма. МП обрабатывает последовательность команд, составляющих ту или иную программу. Если организовать параллельное выполнение инструкций, общая производительность существенно вырастет.

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. 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. Процессор в данном случае состоит из множества "плиток", 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.