Строение 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 – микроЭВМ. Именно наличие микропроцессора служило  первоначально определяющим признаком  микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ. 
 

2.5. Совместимость

      В мире существует множество различных  видов и типов компьютеров. Они  выпускаются разными производителями, собираются из разных деталей, работают с разными программами. При этом очень важным вопросом становится совместимость различных компьютеров между собой. От совместимости зависит взаимозаменяемость узлов и приборов, предназначенных для разных компьютеров, возможность переноса программ с одного компьютера на другой и возможность совместной работы разных типов компьютеров с одними и теми же данными.

      Рассмотрим  аппаратную совместимость. По аппаратной совместимости различают так называемые аппаратные платформы. В области персональных компьютеров сегодня наиболее широко распространены две аппаратные платформы — IBM PC и Apple Macintosh.

      Кроме них существуют и другие платформы, распространенность которых ограничивается отдельными регионами или отдельными отраслями. Принадлежность компьютеров к одной аппаратной платформе повышает совместимость между ними, а принадлежность к разным платформам — понижает.

      Кроме аппаратной совместимости существуют и другие виды совместимости: совместимость на уровне операционной системы, программная совместимость, совместимость на уровне данных. 
 
 
 
 
 

2.6. Типоразмер

Персональные  компьютеры можно классифицировать по типоразмерам. Так, различают настольные (desktop), портативные (notebook) и карманные (palmtop) модели.

      Настольные  модели распространены наиболее широко. Они являются принадлежностью рабочего места. Эти модели отличаются простотой изменения конфигурации за счет несложного подключения дополнительных внешних приборов или установки дополнительных внутренних компонентов. Достаточные размеры корпуса в настольном исполнении позволяют выполнять большинство подобных работ без привлечения специалистов, а это позволяет настраивать компьютерную систему оптимально для решения именно тех задач, для которых она была приобретена.

      Портативные модели удобны для транспортировки. Их используют бизнесмены, коммерсанты, руководители предприятий и организаций, проводящие много времени в командировках и переездах. С портативным компьютером можно работать при отсутствии рабочего места. Особая привлекательность портативных компьютеров связана с тем, что их можно использовать в качестве средства связи. Подключив такой компьютер к телефонной сети, можно из любой географической точки установить обмен данными между ним и центральным компьютером своей организации. Так производят обмен данными, передачу приказов и распоряжений, получение коммерческих данных, докладов и отчетов. Для эксплуатации на рабочем месте портативные компьютеры не очень удобны, но их можно подключать к настольным компьютерам, используемым стационарно.

      Карманные модели выполняют функции «интеллектуальных записных книжек». Они позволяют хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ. Некоторые карманные модели имеют жестко встроенное программное обеспечение, что облегчает непосредственную работу, но снижает гибкость в выборе прикладных программ.

      Мобильные вычислительные устройства сочетают в себе функции карманных моделей компьютеров и средств мобильной связи (сотовых радиотелефонов). Их отличительная особенность — возможность мобильной работы с Интернетом, а в ближайшем будущем и возможность приема телевизионных передач. Дополнительно MВУ комплектуют средствами связи по инфракрасному лучу, благодаря которым эти карманные устройства могут обмениваться данными с настольными ПК и друг с другом. 

2.7. Тип используемого процессора

      Процессор — основной компонент любого компьютера. В электронно-вычислительных машинах это специальный блок, а в персональных компьютерах — специальная микросхема, которая выполняет все вычисления в компьютере. Даже если компьютеры принадлежат одной аппаратной платформе, они могут различаться по типу используемого процессора. Тип используемого процессора в значительной (хотя и не в полной) мере характеризует технические свойства компьютера. 
 
 
 
 
 
 

Глава 3. Тенденции развития ЭВМ

      Развитие вычислительной техники представляет собой постоянно сменяющие друг друга физические способы реализации логических алгоритмов - от механических устройств (вычислительная машина Бэббиджа) к ламповым (компьютеры 40-50-х годов), затем к транзисторным и, наконец, к интегральным схемам. И уже на рубеже XXI века шли разговоры о скором достижении пределов применения полупроводниковых технологий и появлении вычислительных устройств, работающих на совершенно ином принципе. Все это свидетельствует о том, что прогресс не стоит на месте, и с течением времени ученые открывают новые возможности создания вычислительных систем, принципиально отличающихся от широко применяемых компьютеров. Существует несколько возможных альтернатив замены современных компьютеров, рассмотрим далее три из них: оптический компьютер, квантовый компьютер и нейрокомпьютер. 

3.1. Оптический компьютер

      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. Это направление интенсивно развивают с начала 80-х годов  ведущие научные центры (MTI, Sandia Laboratories и др.)  и основные компании-производители компьютерного оборудования (Intel, IBM, AMD).

      Оптический  компьютер - это сложная информационная система, в которой носители сигналов не электроны, а фотоны. Фотоны - это кванты, т.е. частицы электромагнитного излучения, каковым является и видимый нами свет. Оптический компьютер имеет невиданную производительность и совершенно иную, чем электронный компьютер, архитектуру. Самые скромные оценки показывают, что за 1 такт длительностью менее 1 наносекунды (это соответствует тактовой частоте более 1000 МГц) в оптическом компьютере возможна обработка массива данных порядка 1 мегабайта и более.

      Оптический  компьютер размером с ноутбук даст обычному пользователю возможность разместить в нем едва ли не всю информацию о мире, при этом компьютер сможет решать задачи любой сложности, в том числе такие, с которыми сегодня едва справляются мощные серверы. Специалисты с помощью оптического компьютера смогут обрабатывать данные геологоразведки прямо на месте исследования. Менеджер крупной компании или банка сможет работать с корпоративной базой, не выходя в открытую сеть, сколь велики бы ни были размеры базы данных, эта информация уместится в памяти оптического компьютера.

      Cамый  впечатляющий элемент оптического  компьютера - это голографический  экран. В отличие от современных  электронно-лучевого или жидкокристаллического  экранов, голографический экран  может иметь произвольный размер  - например, во всю стену. Он может быть плоским или объемным. Несмотря на то, что многие принципиальные вопросы на пути создания оптических компьютеров уже решены, построение мощного законченного работоспособного оптического компьютера все еще остается трудной технической проблемой, неразрешимой при нынешнем уровне науки и техники. Специалисты ожидают, что полноценный оптоэлектронный процессор появится к 2012 году.

      К настоящему времени уже созданы  и оптимизированы отдельные составляющие оптических  компьютеров, однако до полной сборки еще далеко. Основной проблемой, стоящей  перед учеными, является синхронизация работы отдельных элементов оптического компьютера в единой системе, поскольку уже существующие элементы характеризуются различными параметрами рабочей волны светового излучения (интенсивность, длина волны), и уменьшение его размера. Если для конструирования оптического компьютера использовать уже разработанные компоненты, то обычный PC имел бы размеры легкового автомобиля. Однако применение оптического излучения в качестве носителя информации имеет ряд потенциальных преимуществ по сравнению с электрическими сигналами, а именно:

• световые потоки, в отличие от электрических, могут пересекаться друг с другом;
• световые потоки могут быть локализованы в поперечном направлении до нанометровых размеров и передаваться по свободному пространству;
• скорость распространения светового сигнала выше скорости электрического;
• взаимодействие световых потоков с нелинейными средами распределено по всей среде,  что дает новые степени свободы  (по сравнению с электронными системами) в организации связи и создании параллельных архитектур.

      Вообще, создание большего количества параллельных архитектур, по сравнению с полупроводниковыми компьютерами, является основным достоинством оптических компьютеров, оно позволяет преодолеть ограничения по быстродействию и параллельной обработке информации, свойственные современным ЭВМ. Развитие оптических технологий все равно будет продолжаться, поскольку полученные результаты важны не только для создания оптических компьютеров, но также и для оптических коммуникаций и сети Internet. 

3.2. Квантовый компьютер

      Квантовый компьютер – это проект компьютера, использующего для вычислений принципы квантовой теории. Теоретически квантовые компьютеры способны решать переборные задачи (экспоненциальной сложности) за время прямопропорциональное сложности задачи. Идея квантовых вычислений выдвинута Ю.И.Маниным в 1980 году.

      Прежде  всего, делается упор на то, что при  наличии подходящих технологий квантовые компьютеры будут производить расчеты намного быстрее, чем обычные, за меньшее число операций. С другой стороны, подобное устройство можно использовать в криптографии, что дает ряд преимуществ, в частности, невозможность незаметно перехватить сообщение. Основным элементом квантового компьютера являются квантовые биты или кубиты. Кубит - это квантовая система с двумя состояниями, но в отличие от привычного бита кроме двух определенных состояний она может находиться в их суперпозиции, т.е. в ней одновременно записаны 0 и 1 с некоторыми вероятностями.

      Квантовый компьютер - это система, собранная  из кубитов, которая подчиняется  законам квантовой механики. Показано, что из кубитов можно соcтавить и элементарные логические элементы. Основное принципиальное достоинство квантовых компьютеров - быстродействие, обусловленное параллельностью вычислений. Предполагается, что квантовые компьютеры смогут решать такие задачи, как разложение целых чисел на простые множители (квантовый алгоритм Шора), поиск в базе данных или моделирование квантовых систем (с большим количеством частиц), что весьма важно для химии, физики и молекулярной биологии.

     При создании квантового компьютера основное внимание уделяется вопросам управления кубитами при помощи вынужденного излучения  и недопущении спонтанного излучения, которое нарушит работу всей квантовой системы. От рассказа о физике происходящих в квантовом компьютере процессов перейдем к тому, как эти свойства реализуются в экспериментальном образце квантового компьютера.

     Для того чтобы практически реализовать квантовый компьютер, существуют несколько важных правил, которые в 1996 г. привел Дивиченцо (D.P. Divincenzo). Без их выполнения не может быть построена ни одна квантовая система:

• Точно известное число частиц системы.
• Возможность приведения системы в точно известное начальное состояние.
• Высокая степень изоляции от внешней среды.
• Умение менять состояние системы согласно заданной последовательности элементарных преобразований.

Выполнение  этих требований вполне реально с  помощью существующих квантовых технологий, однако для того, чтобы воплотить теорию в реальность, нужны гигантские суммы денежных средств, которые пока не могут быть выделены на финансирование исследований.

      Канадская компания D-Wave заявила в феврале 2007 года о создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion). Однако информация об этом устройстве не отвечала строгим требованиям точного научного сообщения; новость не получила научного признания. Более того, дальнейшие планы компании (создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер) вызвали скепсис у членов экспертного сообщества. 

3.3. Нейрокомпьютер

      Нейрокомпьютер  – это вычислительная система  шестого поколения, которая состоит  из большого числа параллельно работающих простых вычислительных элементов (нейронов). Элементы связаны между собой, образуя нейронную сеть. Они выполняют единообразные вычислительные действия и не требуют внешнего управления. Большое число параллельно работающих вычислительных элементов обеспечивают высокое быстродействие.