Сравнительный анализ поколений ЭВМ

Введение

Человек всегда стремился  облегчить свой труд. Он придумывал различные приспособления, механизмы  и машины, усиливающие различные  физические возможности человека. Но лишь очень немногие механизмы помогали человеку лучше выполнять умственную работу. С этим можно было мириться на протяжении сотен лет, пока большинство  людей занималось в основном физическим трудом. Однако за последние несколько  десятилетий все изменилось. Нынче  почти половина всех работающих в  развитых странах занимается исключительно  умственной деятельностью. Ясно, что  теперь без машин, способных резко  усилить умственные возможности  человека, просто не обойтись.

Понятно что Электронная  Вычислительная Машина (далее ЭВМ) в  том виде в котором мы привыкли ее видеть появилась не сразу, а развивалась и совершенствовалась подобно тому как развивался и совершенствовался человек, но с небольшой разницей: человек развивался самостоятельно, а ЭВМ развивалось при помощи человека.

Электронно-вычислительную технику принято делить на поколения. Смена поколений чаще всего были связаны со сменой электронной базы ЭВМ, с прогрессом электронной техники. Это всегда приводило к росту  вычислительной мощности ЭВМ. То есть быстродействие и объема памяти. Но это не единственное следствие смены  поколений. При таких переходах, как правило, происходили существенные изменения в архитектуре ЭВМ, расширялся руг задач, решаемых на ЭВМ, менялся способ взаимодействия между  пользователем и компьютером.

С историей развития человечества примерно такая же картина. История  развития человечества условно делится  на «века» (каменный, бронзовый, железный, век информационных технологий).

В вычислительной технике  существует своеобразная периодизация развития электронных вычислительных машин. ЭВМ относят к тому или  иному поколению в зависимости  от типа основных используемых в ней  элементов или от технологии их изготовления. Ясно, что границы поколений в смысле времени сильно размыты, так как в одно и то же время фактически выпускались ЭВМ различных типов; для отдельной же машины вопрос о ее принадлежности к тому или иному поколению решается достаточно просто.

Появление ЭВМ или компьютеров  – одна из существенных примет современной  научно-технической революции. Широкое  распространение компьютеров привело  к тому, что все большее число  людей стало знакомиться с  основами вычислительной техники, а  программирование постепенно превратилось в элемент культуры.

Сравнительный анализ поколений ЭВМ

В истории вычислительной техники  существует своеобразная периодизация ЭВМ по поколениям. В ее основу первоначально  был положен физико-технологический  принцип: машину относят к тому или  иному поколению в зависимости  от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления. Границы поколений во времени  размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня. Когда приводят даты, относящиеся к поколениям, то скорее всего имеют в виду период промышленного производства; проектирование велось существенно раньше, а встретить в эксплуатации весьма экзотические устройства можно и сегодня.

В настоящее время физико-технологический  принцип не является единственным при  определении принадлежности той  или иной ЭВМ к поколению. Следует  считаться и с уровнем программного обеспечения, с быстродействием, другими  факторами. Следует понимать, что разделение ЭВМ по поколениям весьма относительно. Первые ЭВМ, выпускавшиеся до начала 50-х годов, были “штучными” изделиями, на которых отрабатывались основные принципы; нет особых оснований относить их к какому-либо поколению. Нет единодушия и при определении признаков пятого поколения. В середине 80-х годов считалось, что основной признак этого (будущего) поколения – полновесная реализация принципов искусственного интеллекта. Эта задача оказалась значительно сложнее, чем виделось в то время, и ряд специалистов снижают планку требований к этому этапу (и даже утверждают, что он уже состоялся). В истории науки есть аналоги этого явления: так, после успешного запуска первых атомных электростанций в середине 50-х годов ученые объявили, что запуск многократно более мощных, дающих дешевую энергию, экологически безопасных термоядерных станций, вот-вот произойдет; однако, они недооценили гигантские трудности на этом пути, так как термоядерных электростанций нет и по сей день. Чем младше поколение, тем отчетливее классификационные признаки. ЭВМ первого, второго и третьего поколений сегодня, в конце 90-х годов – в лучшем случае музейные экспонаты.

Идея использования программного управления для построения устройств, автоматически выполняющих арифметические вычисления, была впервые высказана английским математиком Ч. Бэббиджем  в 1833 г. Однако его попытки построить механическое вычислительное устройство с программным управлением не увенчались успехом. Фактически эта идея была реализована  спустя более чем 100 лет, когда в 1942 г. К. Цюзе в Германии и в 1944 г. Г. Айкен в США построили на электромагнитных реле вычислительные машины с управлением от перфоленты, на которую записывалась программа вычислений. Идея программного управления вычислительным процессом была существенно развита американским математиком Дж. фон Нейманом, который в 1945 г. сформулировал принцип хранимой в памяти программы. Первые ЭВМ с программным управлением и с хранимой в памяти программой появились практически одновременно в Англии, США и СССР. На протяжении более шести десятилетий электронная вычислительная техника бурно развивается. Появились, сменяя друг друга, несколько поколений ЭВМ. Появление новых поколений ЭВМ вызывалось расширением областей и развитием методов их применения, требовавших более производительных, более дешевых и более надежных машин. Поколение ЭВМ определяется совокупностью взаимосвязанных и взаимообусловленных существенных особенностей и характеристик, используемых при построении машин, конструктивно-технологической (в первую очередь элементной) базы и реализуемой в машине архитектуры. Первое поколение образовали ламповые ЭВМ, промышленный выпуск которых начался в начале 50-х гг. Компьютеры на основе электронных ламп появились в 40-х годах XX века. Первая электронная лампа - вакуумный диод - была построена Флемингом в 1904 году, хотя эффект прохождения электрического тока через вакуум был открыт Эдисоном в 1883 году.

Вскоре Ли де Форрест изобретает вакуумный триод - лампу с тремя электродами, затем появляется газонаполненная электронная лампа - тиратрон, пятиэлектродная лампа - пентод и т. д. До 30-х годов электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались главным образом в радиотехнике. Но в 1931 году англичанин Винни-Вильямс построил (для нужд экспериментальной физики) тиратронный счетчик электрических импульсов, открыв тем самым новую область применения электронных ламп. Электронный счетчик состоит из ряда триггеров. Триггер, изобретенный М. А. Бонч-Бруевичем (1918) и - независимо - американцами У. Икклзом и Ф. Джорданом (1919), содержит 2 лампы и в каждый момент может находиться в одном из двух устойчивых состояний; он представляет собой электронное реле. Подобно электромеханическому, оно может быть использовано для хранения одной двоичной цифры.

Официально за точку отсчета эры ЭВМ обычно принимают 15 февраля 1946 года, когда ученые Пенсильванского университета США ввели в строй первый в мире электронный компьютер ЭНИАК. В нем использовалось 18 тысяч электронных ламп. Машина занимала площадь 135 м3, весила 30 тонн и потребляла 150 кВт электроэнергии. Она использовалась для решения задач, связанных с созданием атомной бомбы. И хотя механические и электромеханические машины появились значительно раньше, все дальнейшие успехи ЭВМ связаны именно с электронными компьютерами. В СССР в 1952 году академиком С.А. Лебедевым была создана самая быстродействующая в Европе ЭВМ БЭСМ. Быстродействие первых машин было несколько тысяч операций в секунду.

Использование электронной  лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось  очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.

Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны  были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штеккера с нужным гнездом.

Примерами машин I-го поколения  могут служить Mark 1, ENIAC, EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), - первая машина с хранимой программой. UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый экземпляр Юнивака был передан в Бюро переписи населения США. Позднее было создано много разных моделей Юнивака, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, Юнивак стал первым серийным компьютером. Кроме того, это был первый компьютер, где вместо перфокарт использовалась магнитная лента.

Для ввода программ и данных применялись перфоленты и перфокарты. Не было монитора, клавиатуры и мышки. Использовались эти машины, главным образом, для инженерных и научных расчетов, не связанных  с переработкой больших объемов  данных.

 Скорость счета самых быстрых машин первого поколения доходили до 20000 операций в секунду (ЭВМ М-20). Для ввода программ и данных использовались перфоленты и перфокарты. Поскольку внутренняя память этих машин была невелика (могла вместить в себя несколько тысяч чисел и команд программы), то они, главным образом, использовались для инженерных и научных расчетов, несвязанных с переработкой больших объемов данных. Машина первого поколения – десятки стоек, каждая размером с большой книжный шкаф, наполненных электронными лампами, лентопротяжными устройствами, громоздкие печатающие агрегаты, и все это на площади сотни квадратных метров, со специальными системами охлаждения, источниками питания, постоянно гудящее и вибрирующее (почти как в цехе машиностроительного завода). Обслуживание – ежечасное. Часто выходящие из строя узлы, перегорающие лампы, и вместе с тем невиданные, волшебные возможности для тех, кто, например, занят математическим моделированием. Быстродействие до 1000 операций/с и память на 1000 чисел делало доступным решение задач, к которым раньше нельзя было и подступиться. Это были довольно громоздкие сооружения, содержащие в себе тысячи ламп, занимавшие иногда сотни квадратных метров, потреблявшие электроэнергию в сотни киловатт.

Программы для таких машин  составлялись на языках машинных команд. Это довольно трудоемкая работа. Поэтому  программирование в те времена было доступно не многим.

Сходство между первыми  этапами развития человечества и  ЭВМ это некачественные материалы, у людей для создания орудий труда (камень), у ЭВМ для создания элементной базы (лампы). Соответственно низкая производительность, У людей в сфере сбора урожая, в ЭВМ в сфере быстродействия и количества выполняемых операций.

Следующим витком в развитии ЭВМ было открытие способности некоторых  химических элементов, непроводящих электричество  при воздействии на них определенных факторов становиться проводниками эти элементы были названы полупроводниками. В США в 1949 году был создан первый полупроводниковый прибор заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор. Транзисторы быстро внедрялись в радиотехнику. В 60х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения. Переход на полупроводниковые элементы улучшил качество ЭВМ по всем параметрам: они стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими. Полупроводниковый прибор - транзистор был изобретен в США в 1948 году Шокли и Бардиным. Компьютеры на транзисторах резко уменьшили габариты, массу, потребляемую мощность, повысили быстродействие и надежность. Типичная отечественная машина (серий "Минск", "Урал") содержала около 25 тысяч транзисторов. Лучшая наша ЭВМ БЭСМ-6 имела быстродействие 1 млн. оп/с.

1 июля 1948 года на одной  из страниц "Нью-Йорк Таймс", посвященной радио и телевидению,  было помещено скромное сообщение  о том, что фирма "Белл  телефон лабораториз" разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу. Физик-теоретик Джон Бардин и ведущий экспериментатор фирмы Уолтер Брайттен создали первый действующий транзистор. Это был точечно-контактный прибор, в котором три металлических "усика" контактировали с бруском из поликристаллического германия.

Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов  были созданы более компактные внешние  устройства, что позволило фирме  Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник (!!) и стоимостью всего 20 тыс. долларов (!!) .

Созданию транзистора  предшествовала упорная, почти 10-летняя работа, которую еще в 1938 году начал  физик теоретик Уильям Шокли. Применение транзисторов в качестве основного элемента в ЭВМ привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и к повышению их надежности.

И все-таки самой удивительной способностью транзистора является то, что он один способен трудиться  за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных  ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Увеличился объем памяти, а магнитную ленту, впервые примененную в ЭВМ  Юнивак, начали использовать как для ввода, так и для вывода информации. А в середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках. Большие достижения в архитектуре компьютеров позволило достичь быстродействия в миллион операций в секунду! Примерами транзисторных компьютеров могут послужить "Стретч" (Англия), "Атлас" (США). В то время СССР шел в ногу со временем и выпускал ЭВМ мирового уровня (например "БЭСМ-6").

В этот период стали  развиваться языки программирования высокого уровня: ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ. Составление программы перестало  зависеть от конкретной модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее.В 1959 г. был изобретен метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные таким образом схемы стали называться интегральными схемами или чипами. Изобретение интегральных схем послужило основой для дальнейшей миниатюризации компьютеров. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год. Быстродействие большинства машин достигло десятков и сотен тысяч операций в секунду объем внутренней памяти возрос в сотни раз по сравнению ЭВМ первого поколения. Благодаря этому появилась возможность создать на ЭВМ информационно справочные поисковые системы. Такие системы связаны с необходимостью длительно хранить на магнитных носителях большие объемы информации. Составление программы перестало зависеть от модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее. Программирование как элемент грамотности стало широко распространяться, главным образом среди людей с высшим образованием.. Также возрастает и скорость развития ЭВМ и человека для перехода на третий этап развития ЭВМ уже не надо открывать новых свойств материала, а только модернизировать (уменьшить) существующие элементы и поместить несколько элементов на один кристалл и получить интегральную схему.