Архитектура и элементарная база компьютеров 5 поколения

 

Алтайский государственный  технический университет им. И.И. Ползунова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·̣ · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·   3

Архитектура и элементарная база компьютеров 5 поколения · · · · · · · · · · ·   4

Заключение · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·   34

Список используемой литературы · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·  35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки информации называют вычислительной техникой. Конкретный набор, связанных между собою устройств, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер.

Персональные компьютеры (ПК), появившиеся чуть более десяти лет назад, быстро перестали играть роль экзотических диковинок. С ними, так или иначе, сталкивается все  большее и большее количество людей, которые решают при помощи компьютеров самые разнообразные  задачи - от вычислительных до чисто коммуникационных. Современный ПК интегрирует в себе функции мощного программируемого калькулятора, "интеллектуальной" пишущей машинки, захватывающей игрушки, узла связи, а в последнее время - еще и аудио - видеоцентра.

В настоящее время сосуществуют компьютеры всевозможных категорий - от суперкомпьютеров до микрокомпьютеров. Несомненно, наиболее массовыми являются среди них ПК.

Компьютер считается универсальным, если он одинаково хорошо приспособлен для решения разнообразных (разнотипных) задач.

Компьютер является однопользовательским, если за ним может работать только один человек (это, конечно, не исключает  возможность работы нескольких человек  попеременно).

Наконец, компьютер является микрокомпьютером, если его основу образует микропроцессор. Процессор  вообще - это мозговой центр любого компьютера. Он производит все вычисления, и он же осуществляет общее управление всеми компонентами компьютера. Микропроцессором, считают миниатюрный процессор, выполненный на одном единственном полупроводниковом кристалле. Не нужно  забывать об исключительной сложности  микропроцессоров: наиболее совершенные  из них содержат не один миллион  транзисторов.

 

 

 

Архитектура и  элементная база компьютеров 5 поколения

Когда говорят о поколениях, то в первую очередь говорят об историческом портрете электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Фотографии в фотоальбоме  по истечении определенного срока  показывают, как изменился во времени  один и тот же человек. Точно так  же поколения ЭВМ представляют серию  портретов вычислительной техники  на разных этапах ее развития.

Всю историю развития электронно-вычислительной техники принято делить на поколения. Смены поколений чаще всего были связаны со сменой элементной базы ЭВМ, с прогрессом электронной техники. Это всегда приводило к росту  быстродействия и увеличению объема памяти. Кроме этого, как правило, происходили изменения в архитектуре  ЭВМ, расширялся круг задач, решаемых на ЭВМ, менялся способ взаимодействия между пользователем и компьютером.

ЭВМ первого поколения  были ламповыми машинами 50-х годов. Их элементной базой были электровакуумные лампы. Эти ЭВМ были весьма громоздкими  сооружениями, содержавшими в себе тысячи ламп, занимавшими иногда сотни  квадратных метров территории, потреблявшими  электроэнергию в сотни киловатт.

Например, одна из первых ЭВМ  – ENIAC – представляла собой огромный по объему агрегат длиной более 30 метров, содержала 18 тысяч электровакуумных ламп и потребляла около 150 киловатт электроэнергии.

Для ввода программ и данных применялись перфоленты и перфокарты. Не было монитора, клавиатуры и мышки. Использовались эти машины, главным  образом, для инженерных и научных  расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных. В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый  прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор.

Транзисторы

В 60-х годах транзисторы  стали элементной базой для ЭВМ  второго поколения. Машины стали  компактнее, надежнее, менее энергоемкими. Возросло быстродействие и объем  внутренней памяти. Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах. В этот период стали развиваться языки программирования высокого уровня: ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ. Составление программы перестало зависеть от конкретной модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее.

В 1959 г. был изобретен метод, позволивший создавать на одной  пластине и транзисторы, и все  необходимые соединения между ними. Полученные таким образом схемы  стали называться интегральными  схемами или чипами. Изобретение  интегральных схем послужило основой  для дальнейшей миниатюризации компьютеров.

В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое  каждый год.

Третье поколение ЭВМ  создавалось на новой элементной базе – интегральных схемах (ИС).

Микросхемы

ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х  годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы  машин IBM-360. Немного позднее появились  машины серии IBM-370.

В Советском Союзе в 70-х  годах начался выпуск машин серии  ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ) по образцу IBM 360/370. Скорость работы наиболее мощных моделей ЭВМ достигла уже нескольких миллионов операций в секунду. На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств – магнитные диски.

Успехи в развитии электроники  привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где в одном кристалле  размещалось несколько десятков тысяч электрических элементов.

Микропроцессор

В 1971 году американская фирма  Intel объявила о создании микропроцессора. Это событие стало революционным в электронике. Микропроцессор – это миниатюрный мозг, работающий по программе, заложенной в его память. Соединив микропроцессор с устройствами ввода-вывода и внешней памяти,  получили новый тип компьютера: микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ относится к машинам четвертого поколения. Наибольшее распространение получили персональные компьютеры (ПК). Их появление связано с именами двух американских специалистов: Стива Джобса и Стива Возняка. В 1976 году на свет появился их первый серийный ПК Apple-1, а в 1977 году – Apple-2. Однако с 1980 года «законодателем мод» на рынке ПК становится американская фирма IBM. Ее архитектура стала фактически международным стандартом на профессиональные ПК. Машины этой серии получили название IBM PC (Personal Computer). Появление и распространение ПК по своему значению для общественного развития сопоставимо с появлением книгопечатания. С развитием этого типа машин появилось понятие «информационные технологии», без которых невозможно обойтись в большинстве областей деятельности человека. Появилась новая дисциплина – информатика. ЭВМ пятого поколения будут основаны на принципиально новой элементной базе. Основным их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень, в частности, распознавание речи, образов. Это требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта. Таким образом, для компьютерной грамотности необходимо понимать, что на данный момент создано четыре поколения ЭВМ:

1-ое поколение: 1946 г. создание  машины ЭНИАК на электронных  лампах.

2-ое поколение: 60-е годы. ЭВМ построены на транзисторах.

3-ье поколение: 70-е годы. ЭВМ построены на интегральных  микросхемах (ИС).

4-ое поколение: Начало  создаваться с 1971 г. с изобретением  микропроцессора (МП). Построены на основе больших интегральных схем (БИС) и сверх БИС (СБИС).

5-ое поколение ЭВМ строится по принципу человеческого мозга, управляется голосом. Соответственно, предполагается применение принципиально новых технологий. Огромные усилия были предприняты Японией в разработке компьютера 5-го поколения с искусственным интеллектом, но успеха они пока не добились. Фирма IBM тоже не намерена сдавать свои позиции мирового лидера, например, Японии. Мировая гонка за создание компьютера пятого поколения началась еще в 1981 году. С тех пор еще никто не достиг финиша.

 

Вычислительная техника  является важнейшим компонентом  процесса вычислений и обработки  данных. За последние 50 лет произошла  смена уже не одного поколения  компьютеров. И если первые четыре поколения  отличались друг от друга только элементной базой и архитектурой, то так и не созданные «компьютеры пятого поколения» должны были включать в себя функции искусственного интеллекта.

К первому поколению относятся  компьютеры на основе электронных ламп и реле (40-е года XX века). Оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках. Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы – 7 см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 минут одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15-20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось много времени. Быстродействие таких вычислительных систем: 5-30 тыс. арифметических операций в секунду. Данные заносились в память ЭВМ при помощи соединения нужного штекера с нужным гнездом. Такие компьютеры использовались в основном для научно-технических расчетов.

1 июля 1948 года фирма «Белл  телефон лабораториз» разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу – транзистор. Это событие можно считать началом компьютеров второго поколения. 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.

Применение транзисторов в качестве основного элемента в  ЭВМ привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и  к повышению их надежности. Самым  главным отличием транзистора является то, что он один заменяет 40 электронных  ламп и при этом работает с большей  скоростью, выделяет очень мало тепла  и почти не потребляет электроэнергию.

Появление интегральных схем ознаменовало появление машин третьего поколения. Интегральная схема, представляет собой миниатюрную электронную  схему площадью около 10 квадратных миллиметров. Интегральная схема способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь уже  заменил 40 электронных ламп. Частью ЭВМ становятся операционные системы. Многие задачи управления памятью, устройствами ввода/вывода и другими ресурсами  стали брать на себя ОС или же непосредственно аппаратная часть  ЭВМ. 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. Большинство созданных до этого ЭВМ являлись специализированными машинами, на которых можно было решать задачи какого-то одного типа.

Приход ЭВМ четвертого поколения связан с переходом  интегральных схем на большие интегральные схемы и сверхбольшие интегральные схемы. Элементная база позволила достичь  больших успехов в минимизации  размеров, повышении надежности и  производительности ЭВМ. Первым персональным компьютеров можно считать Altair-8800, созданным на базе Intel-8080, в 1974г. Лицо 4-го поколения в значительной мере определяется и созданием супер-ЭВМ, характеризующихся высокой производительностью. Супер-ЭВМ используются при решении задач математической физики, космологии и астрономии, моделировании сложных систем и др.

Термин компьютеры пятого поколения является ничем иным, как  широкомасштабная правительственная  программа в Японии по развитию компьютерной индустрии и искусственного интеллекта, предпринятая в 1980-е годы. Целью программы  было создание «эпохального компьютера»  с производительностью суперкомпьютера  и мощными функциями искусственного интеллекта. Ожидалось добиться существенного  прорыва в области решения  прикладных задач искусственного интеллекта. В частности, должны были быть решены такие задачи как:

создание автоматического  портативного переводчика с языка  на язык (непосредственно с голоса);

автоматическое реферирование  статей, поиск смысла и категоризация

задачи распознавания  и др.

Идея саморазвития системы, по которой система сама должна менять свои внутренние правила и параметры, оказалась непродуктивной – система, переходя через определённую точку, скатывалась в состояние потери надёжности и утраты цельности, резко  «глупела» и становилась неадекватной. За десять лет на разработки было истрачено  более порядка 500 млн. долларов, программа  завершилась, так и не достигнув  цели. На сегодняшний день проект считается  абсолютным провалом.

 

 

 

Компьютеры пятого поколения

Возникновение проекта

К моменту начала проекта  Япония еще не являлась лидером в  области компьютерных технологий, хотя уже достигла большого успеха в реализации компьютеров и приборов, беря за основу американские или английские разработки. Министерство международной торговли и промышленности Японии (MITI) решило форсировать прорыв Японии в лидеры, и с 70-х годов министерство стало строить прогнозы о будущем компьютеров, поручив Японскому центру развития обработки информации (JIPDEC) указать несколько наиболее перспективных направлений для будущих разработок, а в 1979 был предложен трёхлетний контракт для более глубоких исследований, подключая промышленные и академические организации. Именно в это время и появился термин «компьютеры пятого поколения».