Современное состояние электронно-вычислительной техники

Производительность   больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.

Появление в 70-х годах малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ.

Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-ЭВМ – вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых ЭВМ, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.

Изобретение в 1969 году микропроцессора привело к появлению в 70-х годах еще одного класса ЭВМ – микро-ЭВМ. Именно наличие микропроцессора служило первоначально определяющим признаком микро-ЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.

2.2. Основные виды ЭВМ

2.2.1. СуперЭВМ

К СуперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов – десятки миллиардов операций в секунду.

Создать высокопроизводительную ЭВМ по современной технологии на одном микропроцессоре не представляется возможным в виду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300000 км/с), ибо время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны микропроцессора) при быстродействии 100 млрд. оп/с становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поэтому суперЭВМ создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

- магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD)

- векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными – однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD).

- матричные МПВС, в которых микропроцессоры одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных (МКМД или MIMD).

В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:

- структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burroughs),

- параллельно-конвейерная модификация, иначе, MMISD, т.е. многопроцессорная MISD- архитектура,

- параллельно-векторная модификация, иначе, MSIMD, т.е. многопроцессорная SIMD-архитектура (например, в суперкомпьтере Cray 2).

Наибольшую эффективность показала MSIMD-архитектура, поэтому в современных суперЭВМ чаще всего используется именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujistu, NEC, Hitachi и др.)

2.2.2. Большие ЭВМ

За рубежом часто называют мэйнфреймами (Mainframe). К мейнфреймам относятся, как правило, компьютеры, имеющие следующие характеристики:

-                      производительность не менее 10 MIPS;

-                      основную память емкостью от 64 до 10000 MIPS;

-                      внешнюю память не менее 50 Гбайт;

-                      многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Основные направления эффективного применения мейнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление – использование мейнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей часто отмечается специалистами среди наиболее актуальных.

Родоначальником современных больших ЭВМ, по стандартам которой в последние несколько десятилетий развивались ЭВМ этого класса в большинстве стран мира, является фирма IBM.

Среди лучших современных разработок мейнфреймов за рубежом в первую очередь следует отметить: американский IBM 390, IBM 4300, (4331, 4341, 4361, 4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 году, и IBM ES/9000, созданные в 1990 году, а также японские компьютеры M 1800 фирмы Fujitsu.

2.2.3. Малые ЭВМ

Это надежные, недорогие  и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мейнфреймами возможностями.

2.2.4. Микро-ЭВМ

Микро-ЭВМ обладают следующими характеристиками:

-                      производительность до 100 MIPS;

-                      емкость основной памяти – 4-512 Мбайт;

-                      емкость дисковой памяти  - 2-100  Гбайт;

-                      число поддерживаемых пользователей – 16-512.

Все модели микро-ЭВМ разрабатываются на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем, 16-, 32-, 64-разрядных микропроцессоров. Основные их особенности: широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения, аппаративная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации, простая реализация микропроцессорных и многомашинных систем, высокая скорость обработки прерываний, возможность работы с форматами данных различной длины.

К достоинствам микро-ЭВМ можно отнести: специфичную архитектуру с большой модульностью, лучше, чем у мейнфреймов, соотношение производительность/цена, повышенная точность вычислений.

Микро-ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой.

Наряду с использованием для управления технологическими процессами микро-ЭВМ успешно применяется для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Персональный компьютер для удовлетворения потребностям общедоступности и универсальности  должен иметь следующие характеристики:

-                      малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

-                      автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

-                      гибкость архитектуры, обеспечивающую ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

-                      «дружественность» операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающую возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки.

2.2.5. Персональные компьютеры

За рубежом самыми распространенными моделями  персональных компьютеров (ПК) в настоящее время являются IBM PC с микропроцессорами Pentium и Pentium Pro.

Персональные компьютеры можно классифицировать по ряду признаков. По поколениям ПК делятся следующим образом:

-                      ПК 1-го поколения – используют 8-битные микропроцессоры;

-                      ПК 2-го поколения – используют 16-битные микропроцессоры;

-                      ПК 3-го поколения – используют 32-битные микропроцессоры;

-                      ПК 4-поколения – используют 64-битные микропроцессоры.

Классификация ПК по конструктивным особенностям:

1.      Стационарные.

2. Переносные компьютеры – быстроразвивающийся подкласс ПК. По прогнозу специалистов к 2001 году более 81% пользователей будет использовать именно переносные машины. Большинство переносных компьютеров имеют автономное питание от аккумуляторов, но могут подключаться к сети.

Переносные компьютеры весьма разнообразны: от громоздких и тяжелых (до 15 кг) портативных рабочих станций, до миниатюрных электронных записных книжек массой около 100 г. Рассмотрим кратко некоторые типы переносных ПК:

Портативные рабочие станции – наиболее мощные и крупные переносные ПК. Они оформляются часто в виде чемодана. Их характеристики аналогичны характеристикам стационарных ПК – рабочих станций: мощные микропроцессоры, часто типа RISC, с тактовой частотой до 300 МГц,  оперативная память емкостью до 64 Мбайт, гигабайтные дисковые накопители, быстродействующие интерфейсы и мощные видеоадаптеры с видеопамятью до 4 Мбайт. Этот тип ПК может эффективно использоваться для выездных презентаций, особенно при наличии средств мультимедиа, но может с успехом применяться и в стационарном варианте, позволяя экономить место на рабочем столе.

Портативные (наколенные) компьютеры типа «Lap Top» оформляются в виде небольших чемоданчиков размером с «дипломат», их масса обычно в пределах 5-10 кг. Аппаратное и программное обеспечение позволяет им успешно конкурировать с лучшими стационарными ПК. В современных Lap Top часто используются микропроцессоры Pentium, Pentium Pro с большой тактовой частотой (до 200 МГц); оперативная память до 64 Мбайт; накопитель на жестком диске емкостью до 1200 Мбайт, часто съемный, возможно использование CD-ROM и другого мультимедийного обеспечения.

Компьютеры- блокноты (Note Book и Sub Book) выполняют все функции настольных ПК. Конструктивно они оформлены в виде миниатюрного чемоданчика размером с небольшую книгу. По своим характеристикам во много совпадает с Lap Top, отличаясь от них лишь размерами и несколько меньшими объемами оперативной и дисковой памяти. Вместо винчестера некоторые модели, особенно среди Sub Note Book, имеют энергозависимую Flash – память емкостью 10 – 20 Мбайт. Многие модели компьютеров – блокнотов имеют модемы для подключения к каналу связи и соответственно к вычислительной сети.

Карманные компьютеры (Palm Top) имеют массу около 300 г; типичные размеры в сложенном состоянии 150*80*25* мм. Это полноправные ПК, имеющие микропроцессор, оперативную и постоянную память, обычно монохромный жидкокристаллический дисплей, портативную клавиатуру порт-разъем для подключения в целях обмена информацией к стационарному ПК.

Электронные секретари (PDA или Hand Help) имеют формат карманного компьютера, но более широкие функциональные возможности, нежели Palm Top (в частности: аппаратное и встроенное программное обеспечение, ориентированное на организацию электронных справочников, хранящих имена, адреса и номера телефонов, информацию о распорядке дня и встречах, списки текущих дел, записи расходов и т.п.), встроенные текстовые, а иногда и графические редакторы, электронные таблицы.

Большинство PDA имеют модемы и могут обмениваться информацией с другими ПК, а при подключении к вычислительной сети могут получать и отправлять электронную почту и факсы. Некоторые из них имеют даже автоматические номеронабиратели. Новейшие модели PDA для дистанционного бесперебойного обмена информацией с другими компьютерами оборудованы радиомодемами и инфракрасными портами.

Электронные записные книжки (organizer) относятся к «легчайшей категории» портативных компьютеров (к этой категории  кроме них относятся калькуляторы, электронные переводчики и др.); масса их не превышает 200 г. Органайзеры пользователем не программируются, но содержат вместительную память, в которую можно записать необходимую информацию и отредактировать ее с помощью встроенного текстового редактора; в памяти можно хранить деловые письма, тексты соглашений контрактов, распорядок дня и деловых встреч. В органайзер встроен таймер, который напоминает звуком о деле в заданное время. Есть защита информации от несанкционированного доступа, обычно по паролю.

2.2.6. Серверы

Особую интенсивно развивающуюся группу ЭВМ образуют многопользовательские компьютеры, используемые в вычислительных сетях – серверы. Серверы обычно относят к микроЭВМ, но по своим характеристикам мощные серверы скорее можно отнести  к малым ЭВМ и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы приближаются к суперЭВМ.

Сервер – выделенный для обработки запросов от всех станций вычислительной сети компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.).

Серверы в сети часто специализируются. Специализированные серверы используются для устранения наиболее «узких» мест в работе сети: создание и управление базами данных и архивами данных, поддержка многоадресной факсимильной связи и электронной почты, управление многопользовательскими терминалами.