Классификация и тенденции развития ЭВМ

Первое поколение. В начале 50-х годов был дан мощный импульс развитию универсальных ЭВМ, стимулировавший появление в ряде стран моделей ЭВМ, составивших первое поколение.

ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы и реле; оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках; быстродействие было, как правило, в пределах 5-30 тыс. арифметических оп/с; они отличались невысокой надежностью, требовали систем охлаждения и имели значительные габариты. Процесс программирования требовал значительного искусства, хорошего знания архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. На первых порах данного этапа использовалось программирование в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились автокоды и ассемблеры, в определенной мере автоматизирующие процесс программирования задач. [10,с.35] Как правило, ЭВМ первого поколения использовались для научно-технических расчетов, а сам процесс программирования больше напоминал искусство, которым занимался весьма узкий круг математиков, инженеров-электриков и физиков.

Развитием проекта стало  создание серии ЭВМ LEO (1951г.), DEDUCE (1954г., Англия); ENIAC (1950г.), MARK-3, SWAC (1950г.), IAS, BINAC, UNIVAC (1951г.), MANIAC, WhirlWind-1, ORDVAC, IBM 701 (1952г. США); GAMMA-40 (1952г., Франция); МЭСМ (1951г.), БЭСМ (1952г.), Минск-1, Урал-2, М-20 (СССР) и др. При этом ЭВМ UNIVAC могла обрабатывать как числовую, так и символьную информацию и ее производство носило коммерческий характер. Особо следует отметить созданную в 1952г. под влиянием идей Джона фон Неймана ЭВМ WhirlWind-1 (Вихрь-1), использующую оперативную память на ферритовых сердечниках и являющуюся самой быстродействующей ЭВМ в середине 50–х годов: 330 тыс. оп/с (сложение) и 60 тыс. оп/с (умножение). Отечественная ЭВМ БЭСМ явилась первой и одной из самых быстродействующих в континентальной Европе. Наиболее важными экспериментальными проектами ЭВМ данного поколения являются: Manchester Mark 1, EDSAC, EDVAC, WhirlWind, IAS, ENIAC. Самым первым серийным ЭВМ стали: Ferranti Mark 1,UNIVAC 1, LEO 1.

ЭВМ второго поколения создавались на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах). Второе поколение характеризуется целым рядом прогрессивных архитектурных решений и дальнейшим развитием технологии программирования. Прежде всего, обеспечивается совмещение функциональных операций (режим разделения времени) и режим мультипрограммирования. В первую очередь, это касается совмещения работы центрального процессора по обработке данных и каналов ввода/вывода, а также распараллеливания операций выборки команд и данных из памяти. Развитие программного обеспечения (ПО) характеризуется созданием развитых макроассемблеров, повышающих уровень общения с ЭВМ, но являющихся в основе своей машинно-ориентированными языками низкого уровня. В ассемблерах впервые появляются средства раздельной компиляции и перемещаемости программ, которые явились первым шагом к виртуализации ресурсов и появлению специальных промежуточных языков, а также новых системных программ – загрузчиков и компоновщиков.[4,с.97]

Конец 50-х годов характеризуется  началом этапа автоматизации  программирования, приведшим к появлению  языков программирования ВО, Commercial Translator, FACT, MathMatic и, наконец, появлением целого ряда проблемно-ориентированных языков программирования высокого уровня (ЯВУ): Fortran (1957г.), явившийся первым языком такого класса, Algol-60, АКИ-400 и др. Дальнейшим развитием программной составляющей ВТ было создание развитых библиотек стандартных программ на различных языках программирования и различного назначения, мониторов и диспетчеров для управления режимами работами ЭВМ и планированием ее ресурсов, заложивших прочные основы концепции операционных систем следующего поколения.

Общепринято, что второе поколение начинается с ЭВМ RCA-501, появившейся в 1959г. в США и созданной на полупроводниковой элементной базе. Между тем, еще в 1955г. была создана бортовая транзисторная ЭВМ для межконтинентальной баллистической ракеты ATLAS. Новая элементная технология позволила резко повысить надежность ВТ, снизить ее габариты и потребляемую мощность, а также значительно повысить производительность. Это позволило создавать ЭВМ с большими логическими возможностями и производительностью, что способствовало распространению сферы применения ЭВМ на решение задач планово-экономических, управления производственными процессами и др.. В рамках второго поколения все более четко проявляется дифференциация ЭВМ на малые, средние и большие, позволившая существенно расширить сферу применения ВТ, приступить к созданию автоматизированных систем управления (АСУ), целыми отраслями (ОАСУ) и технологическими процессами (АСУТП). Однако данный прогресс обеспечивался не только собственно развитием ЭВМ, большую роль здесь играло и развитие сопутствующего оборудования (средства ввода/вывода, внешняя память и др.). При этом от поколения к поколению данная компонента компьютерной информатики играет все большую роль, во многом определяя уровень интерфейса пользователя с ЭВМ и их возможности по обработке информации.[10,с.76]

Из зарубежных ЭВМ второго  поколения можно отметить такие  известные американские модели, как  IBM 7090, LARC (1960г.), Stretch (1961г.) и английскую ATLAS (1962г.).

В СССР второе поколение  начинается с ЭВМ РАЗДАН (1960г.) и  его вполне можно охарактеризовать такими известными сериями ЭВМ, как  Наири, Мир (малые ЭВМ); МИНСК, Урал, РАЗДАН, М-220, БЭСМ-4 (средние ЭВМ) и Днепр, М-400 (управляющие ЭВМ).[2.,с 43]

Третье поколение связывается с появление ЭВМ с элементной базой на интегральных схемах (ИС). В январе 1959г. Д. Килби была создана первая ИС, представляющая собой тонкую германиевую пластинку длиной в 1 см. Для демонстрации возможностей интегральной технологии фирма Texas Instruments создала для ВВС США бортовой компьютер, содержащий 587 ИС, и объемом в 150 раз меньше, чем у аналогичной ЭВМ старого образца. Но у ИС Килби был ряд существенных недостатков, которые были устранены с появлением в том же году планарных ИС Р. Нойса. С этого момента ИС- технология начала свое триумфальное шествие, захватывая все новые разделы современной электроники и, в первую очередь, вычислительную технику.[4,с.107]

Первые специальные бортовые ЭВМ по ИС -технологии проектируются  и строятся по заказам военного ведомства  США. Новая ИС –технология обеспечивала большие надежность, технологичность  и быстродействие ВТ при существенном уменьшении ее габаритов. На одном квадратном миллиметре ИС оказалось возможным  размещать тысячи логических элементов. Однако не только ИС –технология определила появление нового поколения ЭВМ  – ЭВМ третьего поколения, как  правило, образуют серии моделей, программно совместимых снизу вверх и  обладающих возрастающими от модели к модели возможностями. Вместе с  тем, данная технология позволяла реализовывать  намного более сложные логические архитектуры ЭВМ и их периферийного  оборудования, что существенно расширяло  функциональные и вычислительные возможности  ЭВМ.[2,с.98]

Наиболее важным критерием  различия ЭВМ 2-го и 3-го поколений является существенное развитие архитектуры  ЭВМ, удовлетворяющей требованием  как решаемых задач, так и работающих на них программистов. Частью ЭВМ  становятся операционные системы (ОС), появились возможности мультипрограммирования; многие задачи управления памятью, устройства ввода/вывода и другими ресурсами  стали брать на себя ОС или же непосредственно аппаратная часть  ЭВМ.

Значительно более мощным становится программное обеспечение, обеспечивающее функционирование ЭВМ  в различных режимах эксплуатации. Появляются развитые системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизирования  проектных работ (САПРы) различного назначения, совершенствуются АСУ, АСУТП  и др.; большое внимание уделяется  созданию пакетов прикладных программ (ППП) различного назначения. По-прежнему появляются новые и развиваются  существующие языки и системы  программирования, количество которых  достигает уже порядка 3000. Наиболее широкое применение ЭВМ третьего поколения нашли в качестве технической  основы создания больших и сверхбольших информационных систем. Важную роль в решении данной проблемы сыграло создание программного обеспечения (СУБД), обеспечивающего создание и ведение баз и банков данных различного назначения. Разнообразие  вычислительных и программных средств, а также периферийного оборудования поставило на повестку дня вопросы эффективного выбора комплексов программно-вычислительных средств для тех или иных приложений.

Первой такой серией, с  которой принято вести отсчет 3-го поколения, является широко известная  серия моделей IBM Series/360 ( или кратко IBM/360), серийный выпуск которой был начат в США в 1964г.; а уже к 1970 г. серия включала 11 моделей. Данная серия оказала большое влияние на дальнейшее развитие ЭВМ общего назначения во всех странах в качестве эталона и стандарта для многих проектных решений в области ВТ (что имело как свои положительные, так и отрицательные стороны). Среди других ЭВМ 3-го поколения можно отметить такие модели, как PDP-8, PDP-11, B3500 и целый ряд других. В СССР и других странах СЭВ с 1972г. было начато производство Единой серии ЭВМ (ЕС ЭВМ), копирующей (насколько это было технологически возможно) серию IBM/360.[10,с.128]

Несмотря на то, что смена  поколений ЭВМ означала и смену  всех элементов архитектуры, хотелось бы подчеркнуть самое важное: менялись идеи использования ЭВМ. Эти идеи могут быть кратко сформулированы так: первое поколение – быстро считать, второе поколение – высокопроизводительно  обрабатывать информацию во всех сферах человеческой деятельности. Руководящая  идея третьего поколения ЭВМ –  доступность для широкого профессионального  пользования. Обеспечили эти идеи не   столько интегральные схемы, которые  сменили транзисторы в элементарной базе ЭВМ, сколько языки высокого уровня, развитое стандартное программное  обеспечение.

ЭВМ четвертого поколения. Конструктивно- технологической основой ВТ 4-го поколения становятся большие(БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы, созданные соответственно в 70-80-х годах. Такие ИС содержат тысячи, десятки и сотни тысяч транзисторов на одном кристалле (чипе). При этом БИС - технология частично использовалась уже и в проектах предыдущего поколения (IBM/360, ЕС ЭВМ ряд-2 и др.).

Наиболее важный в концептуальном плане критерий, по которому ЭВМ 4-го поколения можно отделить от ЭВМ 3-го поколения, состоит в том, что  первые проектировались уже в  расчете на эффективное использование  современных ЯВУ и упрощения  процесса программирования для проблемного  программиста. В аппаратном отношении  для них характерно широкое использование  ИС- технологии и быстродействующих  запоминающих устройств. Наиболее известной  серией ЭВМ четвертого поколения  можно считать IBM/370.[10,с.135]

Два класса машин – ПК и супер – ЭВМ определяют лицо 4-го поколения, хотя их предшественники (как и ряд других характерных  черт) зародилось еще в рамках предыдущего  поколения. К определяющей черте 4-го поколения следует также отнести  и создание больших информационно-вычислительных сетей, объединяющих различные классы и типы ЭВМ, а также развитых информационно-интеллектуальных систем различного назначения. В отличие  от ЭВМ первых трех поколений ЭВМ 4-го поколения правильнее было бы характеризовать  тремя основными показателями:

1. элементной базой (СБИС);
2. персональным характером использования (ПК) 
3. нетрадиционной архитектурой (супер-ЭВМ).

Элементная база на основе СБИС позволила достичь больших  успехов в деле минитюаризации, повышения  надежности и производительности, позволив создать микро- и мини-ЭВМ, превосходящие  по возможностям средние и большие  ЭВМ предыдущего поколения при  значительно меньшей скорости. Существенные изменения претерпела и архитектура ВТ, роста сложности которой удалось добиться также благодаря элементной базе. Технология производства процессоров на базе БИС и СБИС позволила избавиться от контроля производства средств ЭВМ со стороны государства и крупных фирм- разработчиков, дав возможность любому, обладающему определенными знаниями и навыками человеку довольно легко создавать в домашних условиях собственную ВТ, что существенно приблизило ее к массовому пользователю и ускорило темпы компьютерной революции и массовой информатизации общества.

Феномен персонального компьютера (ПК) восходит к созданию в 1965 г. первой мини-ЭВМ PDP-8, которая появилась в результате универсализации специализированного микропроцессора для управления ядерным реактором. Машина быстро завоевала популярность и стала первым массовым компьютером этого класса; в начале 70-х годов число машин превысило 100 тысяч штук.[1.,с.12]

Как уже отмечалось, границы  перехода от одного поколения ЭВМ  к другому становятся все более  размытыми. Так, БИС- технология и микропроцессоры, считающиеся наряду со СБИС- технологией  одной из основных характеристик 4-го поколения, применялись и на завершающей  стадии 3-го поколения.

Архитектура параллельных универсальных  вычислительных систем значительно  сложнее, чем последовательных ЭВМ  предыдущих поколений; более сложны процессы обработки информации и  разработки для них параллельных программ; традиционные методы проектирования параллельных ЭВМ и разработки программных  средств для них оказываются  малопригодными. Все это ставит на повестку дня разработку соответствующих  САПРов, параллельных операционных систем и систем параллельного программирования.[2,с.107]

В рамках 4-го поколения происходит дальнейшая интеллектуализация  ВТ, определяемая созданием более развитых интерфейсов «человек – ЭВМ», баз  знаний, экспертных систем, систем параллельного  программирования и др. Начинает проявлять  себя тенденция проектирования архитектуры  ЭВМ под программное обеспечение, а не наоборот.

Пятое поколение  ЭВМ. К пятому  поколению относят ВС с сотнями процессоров, обеспечивающие такое распределение задач, при котором каждый из процессоров может выполнять задачу отдельного пользователя.

В архитектуре ВС сформировались два различных подхода: архитектура  с совместно используемой памятью  и архитектура с распределенной памятью.[9,с.353]

Примером первого подхода  является система  Seguent Balance 8000, в которой имеется большая основная память, разделяемая 20 процессорами. Также каждый процессор имеет свою кэш- память. Каждый процессор выполняет задачу своего пользователя, но при этом использует библиотеку подпрограмм, привлекающую для решения этой задачи более одного процессора. Такие системы применялись для исследования параллельных алгоритмов и технике программирования. В системах с распределенной памятью каждый процессор имеет свой модуль памяти, а связь между процессорами обеспечивается сетью взаимосвязей. Примером такой системы является система IPSC-1 фирмы Intel («гиперкуб»), включающая до 128 процессоров.[2,с.147]

Распределенная память позволила  устранить ограничения в пропускной способности тракта «процессор- память».[10,с.189]