Классификация и тенденции развития ЭВМ

• вероятность  безотказной работы за определенное время при данных условиях эксплуатации;

• наработка  ЭВМ на отказ;

• среднее  время восстановления машины и др.

Для более  сложных структур типа вычислительного  комплекса или системы понятие  «отказ» не имеет смысла. В таких  системах отказы отдельных элементов  приводят к некоторому снижению эффективности  функционирования, а не к полной потере работоспособности в целом.

Важное  значение имеют и другие характеристики вычислительной техники, например: универсальность, программная совместимость, вес, габариты, энергопотребление и др. Они принимаются  во внимание при оценивании конкретных сфер применения ЭВМ.

4. Поколения ЭВМ.
1. Поколение первое.

Компьютеры  на электронных лампах. (1948-1958)

Компьютеры  на основе электронных ламп появились  в 40-х годах XX века. Первая электронная  лампа -вакуумный диод - была построена  Флемингом лишь 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. 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.

2. Поколение второе.

Транзисторные компьютеры. (1959-1967) 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")

3. Поколение третье.

Интегральные  схемы. (1968-1973) 
Подобно тому, как появление транзисторов привело к созданию второго поколения компьютеров, появление интегральных схем ознаменовало собой новый этап в развитии вычислительной техники - рождение машин третьего поколения. Интегральная схема, которую также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью около военной 10 мм2.  
Первые интегральные схемы (ИС) появились в 1964 году. Сначала они использовались только в космической и технике. Сейчас же их можно обнаружить где угодно, включая автомобили и бытовые приборы. Что же касается компьютеров, то без интегральных схем они просто немыслимы!

     Появление ИС означало подлинную революцию  в вычислительной технике. Ведь она  одна способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь  уже заменил 40 электронных ламп. Другими словами, один крошечный  кристалл обладает такими же вычислительными  возможностями, как и 30-тонный Эниак! Быстродействие ЭВМ третьего поколения  возросло в 100 раз, а габариты значительно  уменьшились. 
Ко всем достоинствам ЭВМ третьего поколения добавилось еще и то, что их производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. Благодаря этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. А это, в свою очередь, привело к росту спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные для решения самых различных задач. Большинство созданных до этого ЭВМ являлись специализированными машинами, на которых можно было решать задачи какого-то одного типа.

4.  Поколение четвертое.

Большие интегральные схемы. (1974-1982) 
Вы уже знаете, что электромеханические детали счетных машин уступили место электронным лампам, которые в свою очередь уступили место транзисторам, а последние - интегральным схемам. Могло создастся впечатление, что технические возможности ЭВМ исчерпаны. В самом деле, что же можно еще придумать?

Чтобы получить ответ на этот вопрос, нужно вернуться к началу 70-х годов. Именно в это время была предпринята попытка выяснить, можно ли на одном кристалле разместить больше одной интегральной схемы. Оказалось, можно! Развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном-единственном кристалле тысячи интегральных схем. Так, уже в 1980 году, центральный процессор небольшого компьютера оказался возможным разместить на кристалле, площадью всего в четверть квадратного дюйма (1,61 см²). Началась эпоха микрокомпьютеров.

Каково  же быстродействие современной микроЭВМ? Оно в 10 раз превышает быстродействие ЭВМ третьего поколения на интегральных схемах, в 1000 раз - быстродействие ЭВМ второго поколения на транзисторах и в 100000 раз - быстродействие ЭВМ первого поколения на электронных лампах.

Далее, почти 40 лет назад компьютеры типа Юнивак стоили около 2,5 млн. долларов. Сегодня  же ЭВМ со значительно большим  быстродействием, более широкими возможностями, более высокой надежностью, существенно  меньшими габаритами и более простая  в эксплуатации стоит примерно 2000 долларов. Каждые 2 года стоимость ЭВМ  снижается примерно в 2 раза.

Очень большую роль в развитии компьютеров  сыграли две ныне гигантские фирмы: Microsoft® и Intel®. Первая из них очень  сильно повлияла на развитие программного обеспечения для компьютеров, вторая же стала известна благодаря выпускаемым  ей лучшим микропроцессорам. "Пятое  поколение ЭВМ" 
Особого упоминания заслуживает так называемое пятое поколение, программа разработки которого была принята в Японии в 1982 г. Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта. С помощью языка Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки - задачи хранения и обработки знаний. Коротко говоря, для компьютеров "пятого поколения" не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на "почти естественном" языке, что от них требуется.

2.4.5. Пятое поколение

В конце 80-х годов появляются первые ЭВМ  пятого поколения. Пятое поколение  ЭВМ связывают с переходом  к микропроцессорам. С точки зрения структурного построения характерна максимальная децентрализация управления. С точки  зрения программного и математического  обеспечения - переход на работу в  программных средах и оболочках.

Производительность 10⁸ – 10⁹ операций в секунду. Для пятого поколения характерны многопроцессорные структуры созданные на упрощенных микропроцессорах, которых очень много (решающие поля или среды). Создаются ЭВМ ориентированные на языки высокого уровня.

В этот период существуют две диаметрально противоположных тенденции: персонификация ресурсов и коллективизация ресурсов (коллективный доступ - сети).

Благодаря операционной системе, обеспечивающей простоту общения с этой ЭВМ, большой  библиотеке прикладных программ по различным  отраслям человеческой деятельности, а также малой стоимости ЭВМ  становится необходимой принадлежностью  инженера, исследователя, экономиста, врача, агронома, преподавателя, редактора, секретаря и даже ребенка.

5. Шестое  поколение(?)

О шестом поколении можно пока только мечтать...

Компьютер, созданный на основе нейронных сетей. Пока не существует самостоятельно, но активно моделируется на современных  компьютерах.

Один  из разработчиков нейрокомпьютеров А. Н.Горбань считает: "Пять поколений  ЭВМ следуют друг за другом. Нарождающееся  шестое настолько отличается от предыдущих, что лучше говорить не о поколениях и даже не о новых видах, родах  или семействах, а о новом царстве - масштаб дистанции между нейрокомпьютерами  и обычными ЭВМ соответствует  различиям между царствами живых  организмов.

Чем отличаются машины второго  царства? Большое число параллельно работающих простых элементов - нейронов (от нескольких десятков до 10⁶-10⁸), что обеспечивает колоссальный скачок в быстродействии.

Место программирования занимает обучение (воспитание) - машина учится решать задачи, изменяя  параметры нейронов и связей между  ними". 

3. Современные персональные компьютеры

    Современные  персональные компьютеры (ПК или  РС в английской транскрипции) в соответствии с принятой  классификацией надо отнести  к ЭВМ четвертого поколения.  Но с учетом быстро развивающегося  программного обеспечения, многие ученые относят их к 5-му поколению.

    Персональные  компьютеры появились на рубеже 60 – 70-х годов. Американская  фирма Intel разработала первый 4-разрядный  микропроцессор (МП) 4004 для калькулятора. Он содержал около тысячи транзисторов  и мог выполнять 8000 операций  в секунду. Вскоре была выпущена 8-битная версия данного МП, получившая  название 8008. Оба МП всерьез восприняты  не были, поскольку рассчитывались  для конкретных применений. Они  относятся к МП первого поколения. 

    В  конце 1973 г. Intel разработала однокристальный  8-разрядный МП 8080, рассчитанный для  многоцелевых применений. Он был  сразу замечен компьютерной промышленностью  и быстро стал "стандартным". По стоимости он был доступен  даже для любителей. Одни фирмы  начали выпускать МП 8080 по лицензиям,  другие - предложили его улучшенные  варианты. Так, группа инженеров  фирмы Intel, образовав собственную  фирму Zilog, в 1976 г. выпустила  МП Z80, сохраняющий базовую архитектуру  8080. Фирма Motorola разработала собственный  8-разрядный МП М6800, нашедший впоследствии  широкое применение.