Этапы развития вычислительной техники. Поколения электронных вычислительных машин

Этапы развития вычислительной техники и признаки, отличающие одно поколение от другого, приведены в табл. 6.1.

Этапы развития вычислительной техники

Таблица 6. 1

Краткая характеристика этапов развития ЭВМ приведена в табл. 6.2. и 6.3.

Характеристика этапов развития ЭВМ[6]

Таблица 6. 2

Продолжение табл. 6.2.

Другая классификация поколений ЭВМ приведена в табл. 6.3[7].

Поколения ЭВМ

Таблица 6. 3

После создания в 1946 г. в США модели ENIAC (рис. 6.41) был дан мощный импульс развитию универсальных ЭВМ, стимулировавший появление в ряде стран моделей ЭВМ, составивших первое поколение. На протяжении более 60 лет развития вычислительной техники появилось, сменяя друг друга, несколько поколений ЭВМ.

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. Компьютеры 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. 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.

Над компьютерщиками продолжали посмеиваться: чтобы сложить, скажем, два числа, требовалось написать программу из многих машинных команд. Например, такую: "Ввести в машину первое слагаемое; ввести второе; переслать из памяти первое слагаемое в арифметическое устройство; переслать в арифметическое устройство второе слагаемое и вычислить сумму; переслать результат в память; вывести это число из памяти машины и напечатать его". Каждую команду и оба слагаемых "набивали" на перфокарты и только потом вводили колоду перфокарт в компьютер и ждали, когда протарахтит печатающее устройство и на выползающей из него бумажной ленте будет виден результат - искомая сумма.

Второе поколение

Создание в США 1 июля 1948 г. первого транзистора (рис. 6.48) не предвещало нового этапа в развитии вычислительной техники и ассоциировалось, прежде всего, с радиотехникой. Так, сообщение об изобретении транзистора было помещено в "Нью-Йорк таймс" в конце малозаметного раздела "новости радио" рядом с программой передачи "В ритме вальса". На первых порах, это был скорее опытный образец нового электронного прибора, требующий серьезного исследования и доработки. Уже в 1951 г. Уильям Шокли продемонстрировал первый надежный транзистор. Однако стоимость их была достаточно велика (до 8 долларов за штуку), и только после разработки кремниевой технологии цена их резко снизилась, способствовав ускорению процесса минитюаризации в электронике, захватившего и вычислительную технику.

Еще в 1955 г. была создана бортовая транзисторная ЭВМ для межконтинентальной баллистической ракеты ATLAS и первый полупроводниковый компьютер TRAGIC для ВВС США (рис 6.63). Новая элементная технология позволила резко повысить надежность вычслительной техники, 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.

Конец 50-х годов характеризуется началом этапа автоматизации программирования, приведшим к появлению языков программирования Fortran, Algol-60 и др. Программа, написанная на известном машине языке, переводилась на язык команд автоматически, с помощью программы-переводчика – транслятора.

Третье поколение

Третье поколение связывется с появлением ЭВМ с элементной базой на интегральных схемах . В январе 1959 г. Джеком Килби была создана первая интегральная схема (рис. 6.71), 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 интегральных схем, и объемом (40см3) в 150 раз меньшим, чем у аналогичной ЭВМ старого образца. Но у интегральных схем Килби был ряд существенных недостатков, которые были устранены с появлением в том же году, планарных интегральных схем Роберт Нойса.

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); большое внимание уделяется созданию пакетов прикладных программ (ППП) различного назначения. По-прежнему появляются новые и развиваются существующие языки и системы программирования.

Четвертое поколение

Конструктивно-технологической основой вычислительной техники 4-го поколения становятся большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы (рис. 6.102), созданные соответственно в 70—80-х гг. Такие интегральные схемы содержат уже тысячи, десятки и сотни тысяч транзисторов на одном кристалле (чипе). При этом БИС - технология частично использовалась уже и в проектах предыдущего поколения (IВМ/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 языков высокого уровня 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 IВМ/370 (рис. 6.103), которая в отличие от не менее известной серии IВМ/360 3-го поколения, располагает более развитой системой команд и более широким использованием микропрограммирования. В старших моделях 370-й серии был реализован аппарат виртуальной памяти, позволяющий создавать для пользователя видимость неограниченных ресурсов оперативной памяти.

Феномен персонального компьютера (ПК) восходит к созданию в 1965 г, первой мини-ЭВМ PDP-8. Машина быстро завоевала популярность и стала первым массовым компьютером этого класса. В начале 70-х годов число машин превысило 100 тысяч шт. Дальнейшим важным шагом был переход от мини - к микро-ЭВМ; этот новый структурный уровень ВТ начал формироваться на рубеже 70-х годов, когда появление БИС дало возможность создать универсальный процессор на одном кристалле. Первый микропроцессор Intel-4004 (рис. 6.102) был создан в 1971 г. и содержал 2250 элементов, а первый универсальный микропроцессор Intel-8080 (рис. 6.108), явившийся стандартом микрокомпьютерной технологии и созданный в 1974 г., содержал уже 4500 элементов и послужил основой для создания первых ПК. В 1979 г. выпускается один из самых мощных и универсальных 16-битный микропроцессор Motorolla-68000 с 70 000 элементами, а в 1981 г. — первый 32-битный микропроцессор Hewlett Packard с 450 тыс. элементами.

Первым ПК можно считать Altair-8800 (рис. 6.109), созданный на базе микропроцессора Intel-8080 в 1974 г. Эдвардом Робертсом. Для Altair-8800 Пол Аллен и Бил Гейтс (рис.6.112) создали транслятор с популярного языка Basic, существенно увеличив интеллектуальность первого ПК (впоследствии они основали знаменитую теперь компанию Microsoft Inc). Через год после появления первого ПК Altair-8800 их в производство ПК включилось более 20 различных компаний и фирм; начала формироваться ПК-индустрия (собственно производство ПК, их сбыт, периодические и непериодические издания, выставки, конференции и т.д.).

В 1981 г. фирма IBM, во избежание потери массового рынка, начинает выпуск своих ныне широко известных серий ПК IBM PC/XT/AT (6.141) и PS/2, открывших новую эпоху персональной вычислительной техники. Выход на арену ПК-индустрии гиганта IBM ставит производство ПК на промышленную основу, что позволяет решить целый ряд важных для пользователя вопросов (стандартизация, унификация, развитое программное обеспечение и др.). Можно с полным основанием полагать, что за короткий период времени, прошедший с дебюта Altair-8800 до IBM PC, к вычислительной технике приобщилось больше людей, чем за весь долгий период — от аналитической машины Бэбиджа до изобретения первых ИС.

Первой ЭВМ, открывающей собственно класс супер-ЭВМ, можно считать модель Amdahl 470V16, созданную в 1975 г. и совместимую с IBM-серией. В настоящее время к классу супер-ЭВМ относят модели, имеющие среднее быстродействие не менее 20 мегафлопсов (1 мегафлопс = 1 млн операций в с плавающей точкой в секунду). Первой моделью с такой производительностью явилась во многом уникальная ЭВМ ILLIAC-IV, созданная в 1975 г. в США и имеющая максимальное быстродействие порядка 50 мегафлопсов. Яркая страница в истории супер-ЭВМ связана с Cray-серией С. Крея, первая модель Cray-1 (рис. 6.116) которой была создана в 1976 г. и имела пиковое быстродействие в 130 мегафлопсов. Архитектура модели базировалась на конвейерном принципе векторной и скалярной обработки данных с элементной базой на СБИС. Именно данная модель положила начало классу современных супер-ЭВМ. Следует отметить, что, не смотря на ряд интересных архитектурных решений, успех модели был достигнут, в основном, за счет удачных технологических решений. Последующие модели Cray-2, Cray Х-МР , Cray-3, Cray-4 довели производительность серии до порядка 10 тыс. мегафлопсов, а модель Cray МР, использующая новую архитектуру на 64 процессорах и элементную базу на новых кремниевых микросхемах, обладает пиковой производительностью порядка 50 гигафлопсов. В настоящее время фирма Cray Research является мировым лидером производства современных супер-ЭВМ и сопутствующих средств.

Завершая экскурс в историю современной ВТ с той или иной детализацией отдельных ее этапов, следует сделать несколько существенных замечаний. Прежде всего, имеет место все более гладкий переход одного поколения ЭВМ к другому, когда идеи нового поколения в той или иной мере созревают и даже реализуются в предыдущем поколении. Особенно это заметно при переходе на ИС-технологию производства вычислительной техники, когда определяющий акцент поколений все больше смещается с элементной базы на другие показатели: логическая архитектура, программное обеспечение, интерфейс с пользователем, сферы приложений и др. Появляется самая разнообразная вычислительная техника, характеристики которой не укладываются в традиционные классификационные рамки; складывается впечатление, что мы находимся в начале своего рода универсализации вычислительной техники, когда все ее классы стремятся к нивелированию своих вычислительных возможностей. Многие элементы пятого поколения в той или иной мере характерны и в наши дни.