Лекции по Вычислительным машинам   

1. Историческая справка

1.2.4. Четвертое поколение. Персональные компьютеры

Переход к машинам четвертого поколения — ЭВМ на больших интегральных схемах (БИС) происходил в середине и второй половине 70–х годов и завершился приблизительно к 1980 г. Машины этого поколения развивались, во–первых, в направлении создания мощных многопроцессорных систем, имеющих производительность до сотен миллионов операций в секунду, и, во–вторых, в направлении создания дешевых компактных мини– и микро–ЭВМ.

Большие ЭВМ четвертого поколения представляют собой многопользовательские машины с развитыми возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа. Они имеют несколько процессоров и ориентированы на выполнение определенных операций, процедур или на решение некоторых классов задач. Выпуск их стал увеличиваться, хотя их доля в общем парке постоянно снижается. Серия машин IBM S/390 продолжила линию машин IВМ–360 и IВМ–370. Они позволяют задавать переменную конфигурацию (число процессоров 1–10, емкость оперативной памяти 512– 81292 Мбайт, число каналов 3–256).

К числу машин четвертого поколения относятся и машины RS/6000, предназначенные для создания графических рабочих станций, Unix–серверов, кластерных комплексов. Первоначально эти машины предполагалось применять для обеспечения научных исследований.

К числу средних ЭВМ четвертого поколения относят ЭВМ типа AS/400 (Advanced Portable Model 3) — 64–разрядные «бизнескомпьютеры». Они предназначены в первую очередь для работы в финансовых структурах. В этих машинах особое внимание уделяется сохранению и безопасности данных, программной совместимости и т.д. Они могут использоваться в качестве основы серверов в локальных сетях, для управления сложными технологическими производственными процессами.

В период машин четвертого поколения стали серийно производиться супер–ЭВМ. Первым суперкомпьютером считается «Сгау–1» («КРЭЙ–1», проект С. Крея), установленный в Лос–Аламосе (США). Этот компьютер выполнял до 100 млн арифметических операций в секунду. В нашей стране похожие характеристики имела супер–ЭВМ «Эльбрус–2». Многопроцессорные комплексы «Эльбрус–2» и «Эльбрус–3» имели суммарное быстродействие соответственно 100 млн и порядка 1 млрд операций в секунду. Нашими учеными также была создана многопроцессорная вычислительная система ПС–2000, содержащая до 64 процессоров, которые управлялись общим потоком команд. В этой системе при распараллеливании процесса выполнения программ могло достигаться быстродействие до 200 млн операций в секунду.

Рост степени интеграции БИС стал технологической основой повышения производительности ЭВМ. В нескольких серийных моделях был преодолен рубеж 1 млрд операций в секунду. В 1985 г. начался серийный выпуск четырехпроцессорной «КРЭЙ–2» производительностью 200 млн скалярных и 1,2 млрд векторных операций в секунду, в 1990 г. — выпуск японской четырехпроцессорной SX–344.

К числу наиболее значительных разработок конца 80–х—начала 90–х гг. относится ЭВМ «КРЭЙ–3». Проект предусматривал 16–процессорную организацию машины и выполнение 8 млрд скалярных и 16 млрд векторных операций в секунду.

С развитием науки и техники выдвигаются новые задачи, требующие больших объемов вычислений. Особенно эффективно применение супер–ЭВМ при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. В этом случае ЭВМ позволяет методами численного моделирования получить результаты вычислительных экспериментов, обеспечивая приемлемое время и точность решения, т.е. решающим условием необходимости разработки и применения подобных ЭВМ является экономический показатель «производительность/стоимость». Например, при создании супер–ЭВМ GF–11 (Gigaflop–11) с быстродействием 11 млрд оп/сек предварительные расчеты показали, что применение этой системы позволит решить целый комплекс новых задач. Одной из таких задач было уточнение массы протона на основе квантовой хромодинамики — доминирующей теории, пытающейся описать первичную структуру материи. При использовании новой ЭВМ эта работа должна была быть выполнена за 1,5–4 месяца. Решение же этой задачи на существующей вычислительной технике требовало около 15 лет. Еще одним примером крупномасштабных задач считается задача разработки новых схем СБИС (сверхбольших ИС) для следующих поколений ЭВМ. Супер–ЭВМ позволяют по сравнению с другими типами машин точнее, быстрее и качественнее решать подобные задачи, обеспечивая необходимый приоритет в разработках перспективной вычислительной техники. Дальнейшее развитие супер–ЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров. В настоящее время супер–ЭВМ используются для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных.

Требуемое количество супер–ЭВМ для отдельной страны, такой как Россия, должно составлять 100–200 штук, больших ЭВМ — тысячи, средних — десятки и сотни тысяч, ПЭВМ — миллионы, встраиваемых микро–ЭВМ — миллиарды.

История создания персональных компьютеров берет свое начало с момента создания микропроцессора (МП). Микропроцессор — это программируемое логическое устройство, выполненное на основе одной или нескольких БИС. Его задача — декодировать команды вложенной в него программы и реализовать их. Микропроцессоры обладают высокой надежностью и производительностью, малыми размерами и низкой стоимостью. Это позволяет встраивать микропроцессоры в контрольно–измерительные приборы, промышленно–технологи-ческое оборудование, бытовые приборы. Создание микропроцессора стало наиболее крупным сдвигом в электронной вычислительной технике, связанным с применением БИС, поскольку именно на его основе были созданы микро–ЭВМ. Микрокомпьютер (микро–ЭВМ) представляет собой вычислительную систему, включающую микропроцессор, память и устройства ввода–вывода. Микро–ЭВМ обладают достаточно высокими эксплуатационными параметрами, сравнимыми с аналогичными параметрами средних ЭВМ. Габариты микро–ЭВМ, требования к условиям эксплуатации и потребление электроэнергии находятся в границах обычных требований, предъявляемых к бытовым электроприборам. Область применения микро–ЭВМ весьма широка. Они входят составной частью в измерительные комплексы, системы числового программного управления, управляющие системы различного назначения.

В 1970 г. Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору (ЦП) большой ЭВМ. В конечном счете на одном кремниевом кристалле ему удалось сформировать минимальный по составу аппаратуры процессор, а на других БИС — оперативную и постоянную память. Так появился первый микропроцессор Intel–4004, который был выпущен в продажу в конце 1970 г. Конечно, возможности Intel–4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора большой ЭВМ — он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно). Но в 1973 г. фирма Intel выпустила 8–битовый микропроцессор Intel–8008, а в 1974 г. — его усовершенствованную версию Intel–8080, которая до конца 70–х годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии.

Выпуск первого микропроцессора служит ориентировочной датой начала микропроцессорной революции. Она шла двумя путями: МП встраиваются непосредственно в аппаратуру (связи, производственную, медицинскую, бытовую и т. д.) и служат основой построения соответствующих управляющих устройств; на базе МП создаются как микро–ЭВМ, так и суперсистемы. В ходе микропроцессорной революции систематически совершенствовалась технология БИС, с чем связана стремительная смена поколений МП. В 80–е гг. создаются мощные 32–разрядные МП, содержащие схемы памяти, контроля и диагностики и служащие элементной базой для создания ЭВМ пятого поколения.

С микропроцессорной революцией непосредственно связано одно из важнейших событий в истории ЭВМ — создание и широкое применение персональных ЭВМ (ПЭВМ).

С их распространением начинается фаза всеобщей компьютеризации, которая продолжается и сегодня. С 1980 г. по 1990 г. выпуск ПЭВМ в США вырос с 0,37 млн до 25 млн шт. и в настоящее время этот класс машин абсолютно доминирует в мировом парке ЭВМ.

В начале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый компьютер «Альтаир–8800» (фирма MITS, США), построенный на основе микропроцессора Intel–8080. Хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом. Покупатели этого компьютера снабжали его дополнительными устройствами: монитором, клавиатурой, блоками расширения памяти и т.д. В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Альтаир»интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Позднее потребности в ПЭВМ возрастали невиданными темпами. Так, в 1983 г. в мире было продано 10 млн персональных компьютеров — небывалое число для вычислительной техники.

В дальнейшем компьютеры стали продаваться в полной комплектации, с клавиатурой и монитором. Росту объема продаж ПК способствовали также многочисленные программы, разработанные для деловых применений (например, редактор текстов WordStar и табличный процессор VisiCalc соответственно 1978 и 1979 гг.). Эти программы сделали для делового мира покупку компьютеров выгодным вложением денег: с их помощью стало возможно эффективнее выполнять бухгалтерские расчеты, составлять документы и т.д. В результате оказалось, что для многих организаций необходимые им расчеты стало возможно выполнять не на больших или мини–ЭВМ, а на ПК, что значительно дешевле.

Революция в индустрии персональных компьютеров была совершена двумя фирмами — IBM и Apple Computer, соперничество которых способствовало бурному развитию высоких технологий, улучшению технических и пользовательских качеств персональных компьютеров. При этом первым всенародным персональным компьютером стал компьютер фирмы Apple Computer.

История этой фирмы началась в 1976 году, когда Стивен Джобс и Стивен Возник создали свою первую модель, назвав ее «Apple» (яблоко). Развитием работ в данном направлении стал компьютер Apple II, созданной на 8–разрядном микропроцессоре фирмы Motorola.

Компьютер Apple II обладал модульной конструкцией с возможностью расширения системы. Техническая информация о компьютере была опубликована, что дало возможность др. производителям выпускать аппаратуру, которой пользователи могли дополнять свои компьютеры. Другими словами, архитектура Apple II была открытой, что явилось новинкой для того времени.

В 1981 году на рынке персональных компьютеров появилась фирма IBM, которая во много раз превосходила по своим размерам и финансовым возможностям фирму Apple. Это связано с тем, что распространение ПЭВМ к концу 70–х годов привело к снижению спроса на большие и мини–ЭВМ. В качестве основного микропроцессора компьютера IBM был выбран микропроцессор Intel–8088. В данном компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.

В августе 1981 г. новый компьютер под названием IBM PC был представлен публике и вскоре после этого приобрел большую популярность у пользователей. Через один–два года IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8–битовых компьютеров, став фактически стандартом персонального компьютера. Сейчас такие компьютеры (совместимые с IBM PC) составляют более 90% всех производимых в мире ПК. Основой популярности IBM PC является заложенная в нем возможность усовершенствования его отдельных частей и использования новых устройств. Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из частей, изготовленных независимо различными фирмами.

В 1983 г. был выпущен компьютер IBM PC XT (Personal Computer Extended Technology), имеющий встроенный жесткий диск, в 1985 г. — компьютер IBM PC AT (Personal Computer Advanced Technology) на основе нового микропроцессора Intel–80286, работающий в 3–4 раза быстрее IBM PC XT.

Однако очень скоро другие фирмы начали собирать компьютеры, совместимые с IBM PC, и продавать их значительно дешевле аналогичных компьютеров фирмы IBM. Уже в 1982 г. на рынке появились точные копии компьютеров фирмы IBM, так называемые клоны, выпускаемые другими фирмами, поэтому сегодня мы говорим об IBM–совместимых компьютерах, сохраняющих архитектуру и технологические особенности первоначального IBM PC. Принцип открытой архитектуры лишил фирму IBM монополии на выпуск ПК класса IBM PC. К 1984 г. IBM PC–совместимые компьютеры производили уже около 50 компаний, а к концу 1986 г. ежегодная продажа IBM PC–совместимых компьютеров сторонними фирмами превзошла по объему продажу оригинальных компьютеров IBM. При этом первые компьютеры на основе 32–разрядного микропроцессора Intel–80386 были выпущены уже не IBM, a фирмой Compaq Computer. В конце 80–х гг. фирма IBM опять сделала попытку вернуть себе монополию на производство персональных компьютеров, выпустив новую оригинальную модель PS/2, отличную от IBM PC и имеющую закрытую архитектуру. Однако модель не имела успеха и в настоящее время большинство компьютеров типа IBM PC изготавливается в Юго–Восточной Азии (Тайвань, Сингапур, Южная Корея и т.д.). Наибольшее влияние на развитие компьютеров типа IBM PC теперь оказывает не IBM, a фирма Intel — производитель микропроцессоров и фирма Microsoft — разработчик ОС Windows и многих других используемых на IBM PC программ.

Что же касается Apple Computer, то она сохранила особенности своей модели, отличной от IBM PC. Компьютер, выполненный фирмой на самом новом в то время микропроцессоре Motorola 68000, получил имя Macintosh (название одного из популярных сортов американских яблок «макинтош»). Компьютер имел высококачественный графический дисплей, «мышь» и был прост в освоении даже для неподготовленного пользователя, который мог практически ничего не вводить с клавиатуры, а лишь использовать маленькие картинки–пиктограммы, обозначающие разнообразные действия. Кроме этого, впервые компьютер дополнили генератором звука и микрофоном. В начале 1984 года Macintosh поступил в продажу. В комплекте с новейшим лазерным печатающим устройством (принтером) Macintosh с его графическими возможностями стал идеальной машиной для развивающихся в то время настольных издательств. Полюбился компьютер и преподавателям школ, колледжей, университетов. А вот в деловом мире по–прежнему популярностью пользовались IBM–совместимые компьютеры.

В СССР в 1988 г. был начат массовый выпуск школьных персональных компьютеров и классов учебной вычислительной техники «Корвет», «Электроника УКНЦ» и др., профессиональных компьютеров ДВК–ЗМ, ДВК–4, «Искра–1030», «Нейрон», ЕС–1841 и др.

Выпуск микропроцессоров серии Power PC, разработанных совместно фирмами Apple, IBM и Motorola, начался в 1993 г., а в 1994 г. стали появляться в продаже компьютеры фирм Apple и IBM на базе этого микропроцессора. Большой интерес для пользователей представляет персональный компьютер Power Macintosh, который появился в 1994 г. Этот компьютер использует микропроцессор Power PC. Особенностью Power Macintosh является возможность работать с программами, написанными для IBM–совместимых персональных компьютеров.

В настоящее время на компьютерном рынке рядом с фирмами IBM и Apple Computer трудятся такие крупные фирмы, как Compaq, Packard Bell, Dell, Hewlett–Packard и др.

Причины успеха персональных компьютеров. В настоящее время индустрия производства компьютеров и ПО для них является одной из наиболее важных сфер экономики развитых стран. Ежегодно в мире продаются десятки миллионов компьютеров. Только в США объем продаж компьютеров, услуг и программного обеспечения составляет десятки миллиардов долларов и постоянно продолжает расти. Основная причина этого – невысокая стоимость компьютеров и их сравнительная выгодность для многих деловых применений по сравнению с большими и мини–ЭВМ. Но имеются и другие причины:

•         простота использования, обеспеченная с помощью диалогового способа взаимодействия с компьютером, удобных и понятных пользовательских интерфейсов;

•         возможность индивидуального взаимодействия с компьютером без каких–либо посредников и ограничений;

•         относительно высокие возможности по переработке информации (типичная скорость — несколько миллионов операций в секунду, емкость оперативной памяти — до сотен Мбайт, емкость жестких дисков — десятки Гбайт);

•         высокая надежность и простота ремонта, основанные на интеграции компонентов компьютера;

•         возможность расширения и адаптации к особенностям применения — один и тот же компьютер может быть оснащен различными периферийными устройствами и программными средствами;

•         наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового ПО.

Но несмотря на то, что область применения персональных компьютеров очень широка, имеются задачи, которые лучше решать на более мощных ЭВМ.

Ограниченность области применения персональных компьютеров:

·      при обработке больших объемов информации часто оказывается целесообразным совместное использование компьютеров разного уровня, где на каждом уровне решаются задачи, соответствующие его возможностям. Например, в крупном коммерческом банке обработка информации о клиентах и расчетах скорее всего потребует большую ЭВМ, а ввод данных и анализ результатов может осуществляться и на персональных компьютерах;

·      во многих задачах оказывается недостаточной вычислительная мощность персональных компьютеров. Например, расчет механической прочности конструкции из нескольких сотен элементов можно сделать и на персональном компьютере, но если надо рассчитать прочность конструкции из сотен тысяч элементов, то потребуется уже большая или даже супер–ЭВМ;

·      при компьютерном производстве видеофильмов персональный компьютер вполне можно использовать для создания простеньких движущихся картинок на экране. Но для создания реалистичных фильмов и специальных видеоэффектов используются специализированные компьютеры, предназначенные для эффективной обработки трехмерных изображений и анимации.



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.