Классификация компьютеров

Люди с древнейших времен пытались изобрести себе инструменты, облегчающие производить различные вычисления. Однако только благодаря трем основным техническим достижениям стало возможным появление компьютера:

· изобретение электронного переключателя - простейшей быстродействующей схемы, замыкающей и размыкающей электрическую цепь;

· разработка цифрового кодирования любой информации;

· создание устройств искусственной памяти, позволяющей хранить в компьютере программы и данные, а также автоматически эти программы выполнять.

Мы уже упоминали о том, что любая информация в компьютере кодируется в виде двоичных чисел. Двоичные данные по своей сути характеризуются двумя состояниями – ”включено” и “выключено”, поэтому главным требованием к устройствам их обработки является качество переключателей.

С технической точки зрения компьютер и представляет собой, в сущности, набор переключателей для представления информации в виде битов и управления процессами ее обработки. Как только включается питание компьютера и начинают вырабатываться импульсы тока, его процессор начинает выполнение непрекращающейся последовательности машинных команд различных программ (служебных, системных, пользовательских и т.д.), заключающееся в бесконечном переключении схем из одного состояния в другое. Выполняемые программы чередуются одна за другой, но процессор этого не замечает. Он не видит разницы между командами одной программы и командами другой программы, так как и те и другие представляются в виде серий импульсов. Что при этом выполняет компьютер, – задают программы и пользователь.

С другой стороны, это сложное электронное устройство, которое как бы интегрировало (объединило) в себе практически все современные достижения в области хранения, обработки и передачи информации (телевизор, пишущая машинка, магнитофон, проигрыватель, телефон и т.д.) и самые новейшие технологии в области микроэлектроники. Именно компьютер “подгоняет” микроэлектронику развиваться такими бурными темпами.

С точки зрения кибернетики (науки об общих законах управления), компьютер – это программно-управляемый электронный автомат. Мы под термином компьютер будем понимать управляемое программами электронное устройство, предназначенное для автоматизации сбора, хранения, обработки и передачи информации.

Компьютер включает в себя два основных компонента:

· программное обеспечение (Software);

· аппаратная часть (Hardware).

Оба они равнозначны по важности, так как самостоятельно, без программ, компьютер ничего делать не может - это просто набор электронных устройств. В то же время без аппаратуры, реализующей программы пользователя, эти программы бесполезны и никому не нужны.

Компьютеры, как и информационные системы, классифицируют по различным признакам: по мощности, конструктивным и архитектурным особенностям, по организации и т.д. Рассмотрим классификацию по мощности.

1. Большие ЭВМ, или мэйнфреймы(mainframe). Эти компьютеры создаются для обработки большого количества транзакций, т.е. больших объемов информации. Они легко масштабируются, надежны и к тому же поддерживают стандартные внешние интерфейсы. Мэйнфреймыпредставляются в виде мультипроцессорной структуры, построенной на базе проблемно-ориентированных и функционально-ориентированных специализированных процессоров.

К проблемно-ориентированным процессорам относятся различного типа обрабатывающие процессоры (матричные, символьные, графические и др.) и процессоры проблемно-ориентированных языков программирования, обеспечивающие эффективное выполнение программ, написанных на этих языках.

К функционально-ориентированным процессорам относятся процессоры ввода-вывода, телекоммуникационные процессоры, файловые процессоры, оптимизирующие обработку файлов, хранящихся во внешней памяти компьютера.

Все процессоры объединяются общей шиной, имеющей большую пропускную способность. Мэйнфреймы отличаются исключительной надежностью (за счет дублирования оборудования), высоким быстродействием, очень большой пропускной способностью каналов ввода-вывода. К ним могут подсоединяться тысячи терминалов или персональных компьютеров для работы пользователей. Например, 16-процессорный мэйнфрейм IBM System z990 может обрабатывать до 12 тысяч транзакций в секунду.

Большинство крупных корпораций, банков, правительственных учреждений во всем мире обрабатывают свои данные именно на больших ЭВМ. Например, все 25 ведущих мировых банков используют мэйнфреймы. Практически все вычислительные центры РЖД оснащены также мэйнфремами. И хотя, благодаря фантастически возросшим возможностям, персональные компьютеры активно завоевывают себе "место под солнцем" и способны решать многие задачи, спрос на мэйнфреймы падает медленно, так как обеспечиваемые ими централизованные хранение и обработка данных обходятся дешевле, чем обслуживание распределенных систем обработки информации, состоящих из сотен и тысяч персональных компьютеров, объединенных в локальные вычислительные сети. Я думаю, что эти машины уж слишком долго существуют, чтобы могли быстро исчезнуть. Это подтвержают и цифры: в 2006 году поставки мэйнфреймов фирмой IBM увеличились на 25%.

К выпускавшимся ранее отечественным машинам такого типа относились ЭВМ Единой Системы – ЕС ЭВМ различной вычислительной мощности, начиная от ЕС 1020 и кончая ЕС 1067. Было выпущено свыше 35 тысяч ЕС ЭВМ. После развала СССР и до настоящего времени отечественные мэйнфреймы не выпускаются, и приходится довольствоваться импортными машинами. К ним можно отнести такие, как комплексы японской фирмы Hitachi – HDS/GX6215, или мэйнфреймы фирмы IBM – IBM S/390 G5, G6, которые с начала этого столетия носят название System z9, в частности z9ВС и z9ЕС.

Семейство S/390^® фирмы IBM, –классическое семейство мейнфреймов, появившееся более трех десятилетий назад.Архитектура S/390 занимает доминирующее положение в мире, ей принадлежат 70% всей имеющейся мощности мейнфреймов. Сейчас в это семейство входит широкий спектр машин, сочетающих в себе непревзойденную масштабируемость, гибкость, доступность и мощность – с оптимальным соотношением цены и производительности. Они построены на открытой архитектуре, включают в себя расширенные сетевые возможности и операционные системы, более мощные и дешевые микропроцессоры; в то же время их физические размеры уменьшились на 90% по сравнению с предыдущими моделями, так как они построены по CMOS-технологии. CMOS-микросхемы охлаждаются воздушным потоком (водяное охлаждение не требуется), благодаря чему габариты «больших систем» уменьшились до размеров, казавшихся раньше просто фантастическими. Сегодня в одном мощном сервере S/390 G5 может быть более 10 центральных процессоров, а занимает он менее 5 кв. м. при массе около 900 кг. При этом он обрабатывает данные в 10 с лишним раз быстрее самого мощного мэйнфрейма десятилетней давности. Новый мэйнфрейм потребляет всего 4% электроэнергии от той, которая требовалась предыдущим системам. Как правило, вместе с ним поставляется дисковая подсистема для хранения данных.

В начале октября 2006 года корпорация IBM вместе с очередным выпуском операционной системы z/OS для машин семейства z9 объявила о новой инициативе, которая должна упростить работу на этих компьютерах. Дело в том, что большинство системных администраторов, обслуживающих сегодня z9 и программистов, создающих для них приложения, начинали работать в эпоху расцвета мэйнфреймов (до 1980-х годов), поэтому к середине следующего десятилетия эти специалисты уйдут на пенсию. Компаниям, где по-прежнему используются мейнфреймы, пока трудно найти достойную замену ветеранам. Таким образом, хотя мэйнфреймы устояли под натиском открытых систем и персональных компьютеров, уже в следующем десятилетии они могут начать исчезать только из-за того, что их некому будет обслуживать.

Рассчитанная на пять лет инициатива, в которую IBM собирается вложить100 млн. долларов, предусматривает выпуск инструментальных средств, облегчающих использование систем z9, модернизацию пользовательского интерфейса, а также более удобные утилиты для контроля расходов на лицензирование ПО и разработки приложений. Это позволит сократить сроки подготовки администраторов мэйнфреймов в несколько раз и привлечь их для работы с машинами z9. Кроме того, корпорация IBM с середины 2006 года создала в России свое подразделение, вложив около 40 млн. долларов, которое уже занимается вопросами подготовки кадров и поддержкой меэйнфремов с возможностью в дальнейшем их выпуска.

Произошедшие кардинальные изменения в архитектуре мейнфреймов позволили существенно снизить эксплуатационные затраты. Так, например, в конце 90-х годов в ИВЦ Свердловской железной дороги были установлены два комплекса на базе серверов IBM 9672.R31 (трехпроцессорные серверы первого уровня), имеющих 512 Мбайт оперативной памяти, 9 каналов BUS&TAG (скорость в канале до 4,5 Мб/сек.), 3 канала ESCON (скорость в канале до 19,7 Мб/сек.) и быстродействием 45 млн. операций в секунду. Кроме того, были установлены еще два комплекса на базе машин HDS/GX6215 фирмы Hitachi, имеющих 256 Мбайт оперативной памяти, 24 канала BUS&TAG и быстродействием 38 млн. операций в секунду. Это позволило заменить 12 мейнфреймов типа ЕС 1045 (ЕС 1046), высвободить около 800 кв. метров площади машинных залов, сократить расход электроэнергии почти в 10 раз и высвободить десятки человек обслуживающего персонала. При этом все ранее решавшиеся централизованно и вновь разрабатываемые задачи (порядка 1300 в сутки) стали решаться на этих комплексах. Кроме того, появилась возможность организации высокоскоростного обмена этих комплексов с телекоммуникационной сетью дороги.

2. Супер-ЭВМ.Эти компьютеры предназначены для решения задач, требующих громадных объемов вычислений. Например, задача цифровой обработки аэрокосмических фотографий требует быстродействия не менее, чем 10¹⁴ операций в секунду. Колоссальных расчетов требуют моделирование ядерного взрыва в реальном времени, решение многомерных задач математической физики, моделирование физико-химических процессов, параллельные алгоритмы вычислительной математики, моделирование столкновений транспортных средств с неподвижными препятствиями и многие другие задачи.

Такие компьютеры, как правило, – многопроцессорные вычислительные комплексы с макроконвейерной организацией вычислений. Так, при сложении чисел с плавающей запятой один процессор выравнивает порядки чисел, другой – сдвигает мантиссы, третий – производит их сложение и т.д. – и все это одновременно, за счет чего быстродействие вычислений очень велико. Основными потребителями этих машин являются предприятия нефте- и газодобывающей промышленности, крупные транспортные и фармацевтические компании, службы прогнозирования погоды и контроля за окружающей средой, силовые структуры, а также многие научные организации. К этим компьютерам, как и к предыдущим, могут быть подсоединены сотни терминалов и персональных компьютеров в качестве рабочих станций. Среди выпускавшихся ранее отечественных машин такого типа можно выделить, например, вычислительный комплекс “Эльбрус-1К2” с быстродействием 120 миллионов операций в секунду. Среди импортных супер–ЭВМ можно назвать, например, американский комплекс GrayT3E-1200, установленный в 2000 г. в одном из исследовательских центров Министерства обороны США. Комплекс представляет собой 1088 процессоров, общая производительность комплекса около 13 триллионов операций в секунду, объем оперативной памяти более 557 Гбайт.

Длительное время в России были прекращены выпуски супер–ЭВМ. Но вот в газете "Век" №31 за 2001 г. появилось сообщение о создании и производстве супер-ЭВМ МВС 1000М. В последние годы появился так называемый кластерный подход к разработке многопроцессорных высокопроизводительных вычислительных систем. Супер–ЭВМ стали собирать из большого числа компьютеров, соединяя их "быстрыми схемами". МВС 1000М представляет собой 768 относительно небольших компьютеров, которые определенным образом соединены между собой. Прежде Россия была за пределами знаменитого списка TOP500, содержащего 500 самых мощных машин, установленных в мире. С появлением своих супер–ЭВМ, мы поднялись на 25-30 место в мире и на 8-9 место в Европе. А если учесть, что европейские супер–ЭВМ завезены из США, то мы в Европе находимся на первом месте и входим в четверку сильнейших – вместе с США, Японией и Китаем.

Комплекс расположен на телекоммуникационном узле, что дает возможность ученым из многих городов России производить на нем крупномасштабные вычисления, которые не выполнить ни на каких персональных компьютерах.

На основании постановления Исполкома Союза России и Белоруссии № 43 от 22 ноября 1999 г. разработана совместная программа «СКИФ» по разработке и созданию суперЭВМ. И в декабре 2004 г. Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Белоруссии (ОИПИ НАН), Институт программных систем Российской академии наук (ИПС РАН) и компания «Т-Платформы» г. Москва объявили о создании суперкомпьютера СКИФ К-1000. Академик РАН, директор РНЦ «Курчатовский институт», академик-секретарь отделения информационных технологий и вычислительных систем РАН, член научного совета при Совете Безопасности РФ Евгений Велихов отмечает, что СКИФ К-1000 является наиболее мощной из всех вычислительных систем, установленных на территории Восточной Европы в соответствии с TOP500 за 2004 год.

Некоторые основные технические характеристики СКИФ К-1000:

пиковая производительность -2,534 триллиона оп/сек.;

тип используемых процессоров – 2,2 ГГц FMD Opteron;

конструктив компьютера – 8 стоек по 36 узлов в стойке (288 2-х процессорных узлов);

оперативная память – 1152 Гб.;

дисковая память – 23040 Гб.;

суммарная длина кабельных соединений – свыше 2000 м.;

потребляемая мощность в режиме максимальной нагрузки – 89 квт.;

производительность системы охлаждения -16 000 куб. метров в час.

Сейчас появился и список TOP50 стран СНГ. 7 декабря 2004 г. Межведомственный суперкомпьютерный центр (МСЦ) РАН и Научно - исследовательский вычислительный центр МГУ им. Ломоносова (НИВЦ МГУ) объявили о выпуске первой редакции TOP50, который размещен в Интернете по адресу: www.supercoputers.ru. Генеральным спонсором проекта стала компания «Т-Платформы», занимавшаяся разработкой изготовлением вычислительных узлов, сборкой и установкой тестовой конфигурации системы, настройкой программного обечпечения (в сотрудничестве с ИПС РАН) для СКИФ К-1000.

Рынок супер–ЭВМ развивается наиболее динамично. Об этом можно судить, например, по такому факту: в 1995-96 годах японская супер–ЭВМ CP PACS с быстродействием 614 миллиардов операций в секунду заняла первое место в списке TOP500, а уже в 2003 году выбыла из списка как самая медленная система. США поставили себе задачу утраивать производительность суперкомплексов каждые 18 месяцев. Комплекс работ, выполненных у нас при достаточном финансировании позволяет нам ежегодно увеличивать производительность своих супер – ЭВМ в 10 раз. Но вся проблема как раз в финансировании. Федеральный министр по связи и информатизации Леонид Рейман спустя три года после выпуска супер-ЭВМ МВС 1000М по телевидению заявил, что из-за отсутствия финансирования работы по совершенствованию этого комплекса приостановлены. В 2004 году намечена новая программа «СКИФ-Грид» до 2008 года. За новую программу уже «проголосовали» Национальная академия наук Белоруссии, Министерство образования и науки России, Министерство экономического развития России. Однако минфины обоих государств деньги на ее реализацию пока не выделили. В то время, как военное агентство передовых исследований США DARPA запланировало 494 млн. долларов корпорациям IBM и Cray для создания уже в следующем десятилетии суперкомпьютера с производительностью 10 ¹⁶ операций в секунду.

Иметь свои супер-ЭВМ крайне необходимо, так как США наложило эмбарго на вывоз компьютеров мощностью свыше 30 млрд. операций в секунду. Более того, по решению конгресса США за использованием тех компьютеров, которые вывозятся из страны, установлен жесточайший контроль. В свое время в США разразился даже скандал, когда кое-кому там показалось, что Минатом России приобрел технику для того, чтобы считать бомбу.

3. Мини-ЭВМ. Эти компьютеры занимают промежуточное положение между персональными компьютерами и мэйнфреймами. Используются они в учебных заведениях, центрах обработки информации, в достаточно крупных фирмах и других организациях. Очень часто эти ЭВМ используют в качестве серверов в компьютерных сетях. Обычно к мини-ЭВМ подключаются десятки и сотни терминалов или персональных компьютеров для работы пользователей. В свое время выпуск фирмой DEC большого количества мини-ЭВМ семейства VAX и распространение операционной системы Unix послужило одной из основополагающих причин возникновения Интернет. Основные производители этих машин - фирмы IBM, DEC, Hewlett Packard, Silicon Graphics и другие. Компьютеры фирмы Silicon Graphics снабжаются специальными аппаратными средствами для ускорения процессов трехмерного моделирования и анимации, поэтому на них создается большинство спецэффектов в выпускаемых сейчас кинофильмах и рекламных роликах. Отечественной промышленностью ранее выпускался ряд машин такого типа Система микро-ЭВМ – СМ ЭВМ, начиная с СМ 1800 и заканчивая СМ 1814.

К сожалению, в России производство ЭВМ этих типов в настоящее время прекращено.

4.Персональные компьютеры.Появление специальных микросхем для обработки информации (микропроцессоров) обусловило создание совершенно нового типа компьютеров настольного или переносного (Laptop и NoteBook) исполнения. Эти компьютеры рассчитаны на использование в качестве индивидуального инструмента по обработке информации пользователями самого различного профиля. Их подразделяют на два больших класса: а) компьютеры фирмы IBM и совместимые с ними компьютеры других фирм-производителей, б) компьютеры типа Macintosh фирмы Apple, которые не получили такого широкого распространения, как IBM-совместимые. Так в 2006 году было реализовано всего 4800 ПК. Фирма Apple со второго полугодия 2006 года перешла на процессоры Intel, так что большой разницы между этими ПК, видимо, не будет. Переносные компьютеры оформлены в удобном для транспортировки виде (в виде небольших чемоданчиков – дипломатов) с автономным питанием и весом не более 4–5 кг. Обычно они состоят из системного блока, клавиатуры, плоского жидкокристаллического или плазменного монитора, энергонезависимого оперативного запоминающего устройства и средства сопряжения с внешними устройствами.

Персональные компьютеры являются наиболее широко используемым видом компьютеров, их возможности необычайно возрастают, стоимость постоянно снижается и, как следствие, области применения расширяются, охватывая практически все сферы человеческой деятельности. В настоящее время индустрия производства персональных компьютеров и программного обеспечения для них является одной из наиболее важных сфер экономики развитых стран, в том числе и России.

5. Карманные персональные компьютеры (HANDHELD). Эти миниатюрные персональные цифровые ассистенты (Personal Digital Assistants-PDA), размером с блокнот (например, HP95LX размером 160х86х25 мм.) начинают теснить настольные персональные компьютеры. Грань между ними с каждым днем уменьшается как по размерам памяти, так и по быстродействию. Многие КПК позволяют работать в Интернете, смотреть видео или играть в игры и обмениваться данными с другими подобными или настольными ПК. В основном КПК поставляются с одной или двумя операционными системами, например с Palm OS или Microsoft Pocket PC. Palm OS имеет привлекательный интерфейс и работает с множеством разнообразных программ, которые можно купить или переписать бесплатно. Microsoft Pocket PC – это "калька" с Windows, что позволяет миллионам пользователей Windows чувствовать себя уверенно с первых мгновений работы с КПК. Многие программы для этой ОС представляют собой адаптированные версии программ для Windows, например Word, Excel, мультимедийные приложения и др. Основная часть процессоров работает на частотах 300 МГц и выше. Например, HP ipaq HX4700 имеет процессор Intel с частотой 624 МГц. У большинства есть стереозвук, можно прослушивать аудиофайлы и использовать как цифровой диктофон. Можно выбрать КПК работающий еще и как мобильный телефон. Многие КПК, как и мобильники, имеют встроенные цифровые камеры, позволяют подсоединять и использовать любую цифровую аппаратуру.

Питаются КПК, как и мобильники, от литий-ионных аккумуляторов. Программы вводятся с твердой карточки ROMCARD 32, 64 или 128 Кб. КПК поставляются с каким-то стандартным объемом памяти для конкретных приложений, но его можно увеличивать, так как многие из них имеют разъемы для подключения карт памяти разных типов: Compact Flash, SD, MMC или Memory Stick. Стоимость карт памяти постоянно уменьшается. При выборе КПК стоит обратить внимание на тип поддерживаемых им карт памяти, чтобы они были такими же, как у цифровой видеокамеры или других устройств. Плюс этого в том, что можно использовать одну и ту же карту памяти с разными устройствами. Некоторые КПК позволяют работать с несколькими типами карт памяти. Например, КПК HP ipag ZZ1715 имеет разъемы SD/MMC, а КПК Dell AXIMX5 позволяют работать с картами Compact Flach, SD и MMC.

В последнее время в связи с фантастически быстрым развитием микроэлектроники грани деления компьютеров на рассмотренные типы быстро стираются. Например, персональные компьютеры по своим вычислительным возможностям уже превосходят возможности малых машин, а мейнфреймы по физическим размерам, потребляемой мощности и другим параметрам стали просто миниатюрными. Отличаются они только по функциональным возможностям. Особенно это сближение проявляется в компьютерах, которые используются в качестве узлов в компьютерных сетях.

Из всех перечисленных типов компьютеров мы будем знакомиться только с IBM-совместимыми персональными компьютерами, которые наиболее широко распространены во всех сферах жизни общества.

Лекция 14