История развития вычислительной техники

8 Четвертое поколение - СБИС и персональные компьютеры

В отличие от машин первых трех поколений, ЭВМ  четвертого поколения правильнее характеризовать тремя основными показателями: элементной базой, персональным характером использования и нетрадиционной архитектурой.  
Конструктивно-технологической основой вычислительной техники четвертого поколения становятся большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) ИС, созданные в 70-80-х годах XX века. Такие ИС содержат уже десятки и сотни тысяч транзисторов на одном кристалле (чипе). Были достигнуты большие успехи в деле миниатюризации, повышения производительности и надежности, позволив создавать микро- и мини-ЭВМ, превосходящие по возможностям средние и большие ЭВМ предыдущего поколения при значительно меньшей стоимости.  
Феномен персонального компьютера связан с разработкой универсального микропроцессора (МП) на одном кристалле. Первый микропроцессор Intel-4004 (4-разрядный) был создан в 1971 г. и содержал 2250 элементов, а первый универсальный микропроцессор Intel-8080 (8-разрядный, 75 команд, адресация 64 К памяти), явившийся стандартом микрокомпьютерной технологии и созданный в 1974 г., содержал уже 4500 элементов. В 1979 г. выпускается 16-битный МП Motorolla-68000 с 70000 элементами, а в 1981 г. - первый 32-разрядный МП Hewlett Packard с 450 тысячами элементов. В настоящее время промышленностью освоены 64- и даже 128-разрядные универсальные микропроцессоры. Прогресс микропроцессорной техники успешно продолжается.  
В январе 1975 г. фирма MITS рекламировала микропроцессорный набор Альтаир 8800, созданный Э. Робертсом на основе МП 8080. Набор рассылался по почте и стоил 379 долл. Он вызвал большой интерес среди американской молодежи. Организовался клуб любителей вычислительной техники. Для Altair-8800 П. Аллеи и У. Гейтс создали компилятор с языка Бейсик, существенно увеличив интеллектуальность первого ПК. Впоследствии они основали знаменитую теперь фирму Microsoft.  
Создателями первого ПК были два молодых американских хакера Стив Джобс и Стив Возняк. Летом 1976 г. они соорудили из деталей, вынесенных с фирмы, на которой работали, домашний компьютер Apple. В качестве дисплея использовался обычный телевизор. Они организовали форму, в которой через год был изготовлен ПК Apple-2 весом 5 кг. Он имел цветную графику, содержал минимум микросхем и был безукоризненно выполнен. За один год корпорация дала продукции на 2.7 млн. долларов. К 1980 г. корпорация Apple имела годовой доход в 117 млн. долларов.  
В 1981 г. фирма IBM, во избежание потери массового рынка, начинает выпуск ныне широко известных серий ПК IBM PC/XT/AT и PS-2. Производство ПК становится на промышленную основу, архитектура ПК унифицируется. В настоящее время производством различного типа ПК занимается большое число фирм во всем мире.  
За короткий период существования ПК к вычислительной технике приобщилось больше людей, чем за все годы от Бэббиджа до изобретения ИС, их число даже трудно оценить.  
Лавинообразно растет программное обеспечение ПК. Для огромной армии неквалифицированных пользователей требуются дружественные программы, которые руководят работой пользователя. Разработкой программного обеспечения занимается большое число специализированных организаций. Изменились средства общения с компьютером — от фраз командного языка перешли к визуальному выбору в окнах меню. Улучшились изобразительные возможности графических дисплеев, используется звук. ПК изменили мир.  
В таблице 4.1 показаны основные характеристики поколений ЭВМ и приведены типичные для каждого поколения типовые модели.

4.9 Супер-ЭВМ

Необходимость решения сложных задач, требующих  большого времени на традиционных ЭВМ, обусловила поиск путей построения вычислительных систем других классов (нетрадиционной архитектуры). К таким  задачам относятся многие задачи моделирования ядерных реакций, математической физики,  
космологии и моделирования сложных систем. Микроэлектроника позволила довести частоту переключения логических элементов до 1000 МГц (см 3.4), но возможности такого пути практически исчерпаны. Луч света за 1 не (10-9 с) проходит только 30 см пути, а это сравнимо с размерами самой ЭВМ.  
Основной путь повышения производительности ЭВМ - переход на многопроцессорные вычислительные системы и параллельные алгоритмы вычислений. В настоящее время к классу супер-ЭВМ относят модели, имеющие среднее быстродействие не менее 20 миллионов оп/с (20 мегафлопс) над числами с плавающей точкой.  
Первой моделью с такой производительностью явилась во многом уникальная ЭВМ ILLIAC-IV, созданная в 1975 г. в США и имеющая максимальное быстродействие порядка 50 мегафлопс. Большой вклад в развитие супер-ЭВМ внес С. Крей. Созданная им фирма Cray Researh начиная с 1975 г. выпускает серию ЭВМ Cray, которая непрерывно совершенствуется. Модель Cray MP, использующая новую архитектуру на 64 процессорах и элементную базу на новых кремниевых микросхемах, обладает пиковой производительностью 50 гигафлопс.  
Фирма IBM также ведет работы по созданию супер-ЭВМ. Интенсивно совершенствуется их архитектура. В 1995 году в США принята программа ускоренной стратегической компьютерной инициативы (ASCI), рассчитанная на десять лет. Она подтверждает тенденцию к созданию суперкомпьютеров на основе микропроцессоров, массовый выпуск которых освоен промышленностью. Доминирующим направлением стало объединение в одной системе десятков и сотен микропроцессорных модулей.  
Существующие параллельные вычислительные системы образуют три типа супер-ЭВМ. Симметричные мультипроцессоры (SMP) содержат совокупность процессоров, использующих общую память и внешние устройства. Кластерная система, по сути, состоит из набора однопроцессорных ЭВМ, соединенных в локальную сеть и управляемой одной операционной системой. Массивно-параллельные системы (МРР), в отличие от  
 
кластеров, имеют специализированные каналы связи, причем передача данных совмещается с вычислениями.  
Среди отечественных проектов супер-ЭВМ можно выделить работы по созданию серии ЭВМ Эльбрус. Эти работы были начаты С.А. Лебедевым и продолжены Б.А. Бабаяном. Супер-ЭВМ Эльбрус-1 была создана в 1979 году по оригинальной архитектуре. Она включала в себя от одного до десяти процессоров и обладала быстродействием 10 млн. оп/с. Модель Эль-брус-3 (1990 г.) имела 16 процессоров и общее быстродействие более 1 млрд. оп/с. Эльбрусы — мощные машины, они используются до сих пор в военном ведомстве, в центре управления космическими полетами, в ядерных центрах в Арзамасе и Челябинске. По некоторым сведениям, микропроцессор Pentium взял многое от архитектуры Эльбруса.  
Работы по созданию вычислительных комплексов на основе мини-ЭВМ велись в нашей стране под руководством академика И.В. Прангашвили. В 1980 г. создана матричная суперЭВМ ПС-2000, которая содержала 64 процессора и одну управляющую мини-ЭВМ. Каждый процессорный элемент — универсальная машина. Она имела набор быстрых регистров и память до 16 К. Производительность одного процессора - 3 млн оп./с. В максимальной конфигурации ПС-2000 достигает на коротких операциях скорости до 200 млн оп/с, а средняя ее производительность 5-10 млн оп/с. Три таких ЭВМ работали в 1984-1988 гг. в Томске в СКБ сейсмического программного обеспечения. На них обрабатывались результаты сейсмического зондирования для поиска полезных ископаемых.  
К сожалению, из-за сложности разработки и реализации проектов, требующих интенсивных фундаментальных исследований в области вычислительных наук, технологии высокой культуры производства электронных элементов и серьезных финансовых затрат, работы по созданию супер-ЭВМ в СНГ практически прекращены. Но они не заглохли. Б.А. Бабаян сотрудничает с американской фирмой Sun Microsystems по разработке современных микропроцессорных архитектур и созданию сверхоптимального компилятора для эффективного использования программного параллелизма.  
Стоимость супер-ЭВМ до сих пор остается высокой, и они выпускаются единичными экземплярами с конфигурацией, наилучшим способом приспособленной для решения необходимого класса задач. Темпы роста производства супер-ЭВМ по стоимости примерно в 4,5 раза превышают средние темпы развития ЭВМ в целом и составляют более 42% в год [3].  
Спектр супер-ЭВМ постоянно расширяется, два раза в год публикуется список пятисот лучших моделей. По состоянию на ноябрь 2003 г. первое место занимает суперкомпьютер Earth Simulator фирмы NEC, установленный в центре моделирования земных процессов в городе Иокогама (Япония). Он имеет 5120 векторных процессоров (640 узлов по 8 процессоров). Максимальная производительность его — 40 терафлопс (тера = 10 |2). Суммарная оперативная память ЭВМ - 10 терабайт. Суперкомпьютер занимает отдельное четырехэтажное здание размером 50x65 м2 и используется для моделирования природных процессов в земной коре, океане и атмосфере.  
Лучший российский суперкомпьютер - МВС 1000М занимает скромное 189 место в списке пятисот лучших моделей. Он содержит 768 процессоров Alpha 21264, оперативная память -768 гигабайт, пиковая производительность - 1 терафлопс. Суперкомпьютер установлен в межведомственном суперкомпьютерном центре - г. Москва.