|
Четвертое поколение компьютеров создавалось на БИС и СБИС. Переход к четвертому поколению осуществлялся все 70е годы. Установить более точные границы трудно, так как в различных блоках компьютеров СБИС стали использоваться в разное время.
В 70-е годы 20-го века появились три новых технологии: микропроцессорная, космическая и генная. Каждая из трех технологий значительно меняет мировоззрение и психологию людей. Появление микропроцессора означает, что миниатюрный логический автомат может быть встроен в любое, как угодно малое устройство, при этом устройство приобретает новое качество - интеллектуальность. Микропроцессорная технология имеет множество направлений - это и создание персональных электронных средств различного
назначения, интеллектуализация всей техносферы, защита человеческого организма, помощь в выполнении необходимых фу
ций при помощи медико-кибернетических устройств, в том числе вживляемых в организм.
Так выглядит СБИС микропроцессора PentiumII
включающая в себя 7,5 млн. транзисторов
Плата с установленным на ней
микропроцессором Celeron фирмы Intel
Высокая степень интеграции БИС, повышенное быстродействие, высокая степень надежности, снижение стоимости, все это позволило значительно уменьшить размеры компьютеров, достигнуть быстродействия порядка сотен миллионов операций в секунду, объем основной памяти достиг десятков Мбайт.
Появился новый класс компьютеров - микрокомпьютеры.
Процессор микрокомпьютера собирался теперь из одной или нескольких микропроцессорных БИС. Для построения микрокомпьютера дополнительно подключались микросхемы памяти и микросхемы, обеспечивающие обмен информацией между процессором и внешними устройствами. Компьютеры стали доступны по цене отдельным пользователям. Это привело к широкому производству персональных компьютеров. В США их выпуск возрос с 1974 по 1978 год с 73 тыс. штук до 3 млн. штук. Характеристики микрокомпьютеров быстро догоняли
характеристики миникомпьютеров.
В это время наблюдались такие две тенденции - распределение вычислительных ресурсов и оснащение персональными компьютерами рабочих мест с одной стороны и объединение вычислительных ресурсов для решения общих задач большого объема. Это привело к сетевому буму, бурно стали развиваться сетевые технологии, появились специальные компьютеры для организации сетей, получившие название серверы и рабочие станции. В качестве рабочих станций компьютерных сетей стали использовать персональные
компьютеры, а обслуживающие группы компьютеров серверы становились все более мощными и сравнялись по своим возможностям с универсальными компьютерами большой мощности (мэйнфреймами), появляется новый вид компьютеров - суперсерверы.
Тенденция к использованию масштабных приложений дает новую жизнь и суперкомпьютерам. Появляются суперминикомпьютеры, которые довольно скоро вытесняются в управлении производственными процессами промышленными компьютерами с легко наращиваемой структурой и функциями. Для вычислений используются другие классы компьютеров, вплоть до персональных, сравнявшихся по вычислительным возможностям с универсальными.
Суперминикомпьютер Convex C4/XA
В 1986 году Дэниел Хиллис (Thinking Machines Corp.-Корпорация думающих машин) сделал шаг вперед в создании искуственного интеллекта, он разработал концепцию массового параллелизма, которую воплотил в машине соединений(Connection Machine). Машина использовала 16000 процессоров и могла совершать несколько миллиардов операций в секунду. Каждый процессор имел небольщую собственную память, и был связан с другими процессорами через гибкую сеть, которую пользователи могли изменять, перепрограммируя структуру компьютера.
Машина соединений(Connection Machine)
Система связей позволяла процессорам передавать информацию и запрашивать помощь других процессоров, как в модели мозга. Используя систему связей, машина могла работать быстрее чем любой другой компьютер при решении задач, которые можно распредилить для параллельного решения на многих процессорах.
Примером отечественных компьютеров четвертого поколения может служить многопроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус". Эльбрус1 имел быстродействие до 5,5 млн. операций с плавающей точкой в секунду, а объем оперативной памяти до 64Мб. Пропускная способность каналов ввода-вывода достигала 120 Мб/с.
В 1978 году в Советском Союзе было начато производство универсальных многопроцессорных комплексов четвертого поколения Эльбрус-2. Эльбрус2 имел производительность до 120 млн. операций в секунду, емкость оперативной памяти до 144 Мб или 16 Мегаслов (слово 72 разряда).
В 1979 году была завершена разработка вычислительной системы ПС-2000.
Поиск путей к рекордной производительности вычислительных систем требует нестандартных решений. В 70е годы архитектура вычислительных машин строилась с использованием различных принципов параллелизма, которые позволяли сделать очередной рывок производительности. От миллиона операций в секунду к десяткам и сотне миллионов. Основными пользователями советских супер-ЭВМ были организации, которые решали секретные задачи обороны, реализовывали атомную и ядерную программы. Но в 1979 году в
стенах Института проблем управления АН СССР (ИПУ) завершается разработка высокопроизводительной вычислительной системы ПС-2000, предназначавшейся для сугубо мирных нужд.
Аббревиатура ПС означает «перестраиваемые структуры». Так называемыми однородными решающими полями — структурами из однотипных процессорных элементов, способных параллельно обрабатывать данные, — в ИПУ начали заниматься в конце 60-х. Лидером этого направления был академик Ивери Варламович Прангишвили.
Через два года в активе молодых ученых были теоретически обоснованные принципы построения однородных решающих полей, авторское свидетельство, микроэлектронная реализация однородных структур, публикации в научных журналах и доклад на международном конгрессе.
С 1975 года началась разработка вычислительной системы ПС-2000 исключительно собственными силами. В работе приняло участие Северодонецкое научно - промыщленное объединение (НПО) «Импульс».
Замечательно то, что найденные специалистами из ИПУ принципы однородных решающих полей не требовали сверхмощной элементной базы для создания высокопроизводительной параллельной машины. Для ПС-2000 и последовавшей за ней системы ПС-3000 электронная промышленность не выпустила ни одной заказной микросхемы. При этом вычислительные комплексы ПС-2000 обгоняли дорогостоящие «Эльбрусы», обеспечивая быстродействие до 200 млн. операций в секунду. Проходившие испытания восемь опытных образцов машины
продемонстрировали на геофизических задачах суммарную производительность порядка 1 млрд. операций в секунду.
Геофизика была основной сферой применения ПС-2000. Эта мощная машина позволила наконец просчитать залежи данных сейсморазведки, которые в огромных объемах накапливались ежегодно. Доступные вычислительные мощности, в силу ограниченной производительности, просто не успевали их обрабатывать — для этого необходимо было быстродействие раз в сто больше того, что имелось в совокупности. Поскольку такие задачи прекрасно поддавались распараллеливанию, их удалось с большой эффективностью решить на
многопроцессорных комплексах ПС-2000. Были сделаны специальные экспедиционные вычислительные комплексы ЭГВК ПС-2000, отлично приспособленные к работе в условиях геофизических экспедиций, — они не занимали большой площади, потребляли мало энергии и не требовали больших расходов на эксплуатацию.
В ПС-2000 реализована архитектура с одним потоком команд и многими потоками данных (SIMD). Центральным компонентом системы является мультипроцессор, включавший от 8 до 64 одинаковых процессорных элементов. Процессорные элементы обрабатывали множество потоков данных по программе из общего модуля управления (один модуль на каждые восемь элементов).
Наиболее полное развитие принципы перестраиваемости получили в следующей разработке ИПУ, системе ПС-3000, которая была закончена к 1982 году. Здесь уже применялась архитектура множества потоков команд и множества потоков данных (MIMD). В ПС-3000 аппаратно реализована динамическая перестраиваемость структуры машины в зависимости от возможностей распараллеливания конкретного вычислительного процесса. Параллельно могли выполняться как разные задачи, так и фрагменты (ветви) отдельной задачи, а также
скалярные и векторные команды каждой ветви. Система включала до четырех центральных скалярных процессоров, один или два векторных процессора — так называемые однородные решающие поля из восьми однотипных процессорных элементов, до четырех модулей общей параллельной оперативной памяти, до 16 периферийных процессоров. Все эти ресурсы могли перераспределяться динамически, то есть непосредственно в ходе выполнения вычислений, между задачами, ветвями, командами в соответствии с их заранее
непредсказуемыми требованиями. В этом и заключается принцип динамической перестраиваемости структуры машины. Фактически ПС-3000 автоматически превращалась из векторной в асинхронно работающую систему, с процессорами, выполнявшими разные команды, и наоборот.
В отличие от своей предшественницы ПС-3000 решала в основном управляющие задачи — ее можно было использовать на верхних уровнях иерархических систем управления сложными технологическими процессами и производствами, для прямого управления сложными объектами (например, атомными реакторами) в реальном времени и для моделирования сложных объектов. Разрабатывалась и следующая система, ПС-3100, которая предназначалась для использования на верхних уровнях управления атомным реактором.
К началу 80-х годов производительность персональных компьютеров составляла сотни тысяч операций в секунду, производительность суперкомпьютеров достигала сотен миллионов операций в секунду. Мировой парк компьютеров превысил 100 млн. Дальнейшее развитие вычислительной техники привело к широкому использованию ее во всех областях человеческой деятельности.
На схеме показаны области применения вычислительной техники.
Промышленный управляющий компьютер
Для автоматизации управления технологическими процессами в промыщленности стали широко применяться специальные промышленные компьютеры. Специальные компьютеры управляют технологическими установками, работают в операционных или машинах скорой помощи, на ракетах, самолётах и вертолётах, вблизи высоковольтных линий передач или в зоне действия радаров, радиопередатчиков, в неотапливаемых помещениях, под водой на глубине, в условиях пыли, грязи, вибраций, взрывоопасных газов и т.п.
Невозможно представить без вычислительной техники
современную армию - авиацию, ракетные войска,
военно-морской флот.
Без применения вычислительной техники невозможно
освоение космического пространства
Идет дальнейшее совершенствование технологии производства микросхем и вычислительной техники, но так ожидаемый переход к принципиально-новым технологиям компьютеров пятого поколения не произошел. Полупроводниковая технология производства схем сверхбольшой интеграции все еще не исчерпала всех своих возможностей. К 2000 году преодолен барьер в 1 ГигаГерц в производстве процессоров. Компьютер находит все больше областей применения.
![]() ![]()
Теперь при помощи компьютера можно получить
точную модель любого предмета, любого человека
В 1999 году Компания Cyber разработала систему, позволяющую снять точную копию любого объекта. На фотографии модель сделана из полиуретана. В машину была загружена 3D модель, отсканированная посредством трехмерного лазерного сканера CyberWave. На полное сканирование 3-х мерного объекта уходит всего 17 секунд. Выход в виде файла, содержащего 3D модель. Модели могут быть масштабированы.
Продолжается дальнейшее развитие архитектур компьютеров. Совершенствуются персональные компьютеры, приобретают новые мультимедийные возможности. Теперь компьютер служит для создания и воспроизведения звука, прекрасной графики, движущихся объектов.
Персональные компьютеры стали равны и даже превзошли по мощности использовавшиеся ранее универсальные компьютеры. По всему миру прокатилась волна разукрупнения вычислительных систем. Повсеместно стали использоваться персональные компьютеры. И начался на новом витке развития процесс обьединения вычислительных мощностей. Сначала персональные компьютеры связали сетями для обмена информацией. Затем стали связывать между собой несколько компьютеров для объединения в единый вычислительный
механизм.
Сделав еще один виток, компьютерная индустрия вернулась к централизованному управлению распределенными, но объединенными в сеть ресурсами. Если раньше свои вычислительные средства предоставлял пользователям универсальный компьютер, на уровне предприятия это были достаточно мощные универсальные компьютеры (мэйнфреймы), то теперь вычислительные средства обьединяет и распределяет сервер. Сервер класса мэйнфрейма получил название суперсервер. На развитие архитектуры суперсерверов оказали
большое влияние их предшественники - мэйнфреймы.
Возможность объединения вычислительных ресурсов в единую сеть стала широко использоваться для создания суперкомпьютеров из отдельных вычислительных узлов - кластеров. При этом сам кластер может представлять собой довольно сложную вычислительную систему. Строятся и многопроцессорные высокопроизводительные системы, вытесняющие суперкомпьютеры с векторным процессором.
Суперкомпьютеры строятся как многопроцессорные системы или системы, объединяющие в единую множество высокопроизводительных вычислительных систем.
При построении многопроцессорной системы (МП) используется одна из нескольких архитектур, определяющих схему соединения процессорных элементов между собой и схему связей с устройствами ввода/вывода и блоками памяти. В симметричных (SMP) системах вся память используется как общая системная память, это создает проблему "узкого горлышка" и, естественно, является тормозом к достижению предельно возможного быстродействия системы.
В системах массового параллелизма (MPP) для подключения вычислительных узлов используются принципы построения сетей, что устраняет проблему "узкого горлышка", в качестве узла такой сети может использоваться кластер, построенный как симметричная многопроцессорная система.
Четвертое поколение компьютеров должно быть переходным на пути к компьютерам пятого поколения. Компьютеры пятого поколения предполагалось строить на новой элементной базе, позволяющей реализовать интеллектуальные способности человека. Но новая технология пока не находит развития, идет совершенствование современной технологии производства сверх больших интегральных схем.
Для реализации интеллектуальных возможностей человека разрабатывают электронные устройства, реализующие фу
ции нейрона (нейрочипы). Наиболее подходит для реализаций фу
ций нейронов оптическая технология, но несмотря на 20-ти летний опыт развития оптических вычислительных систем, не было достигнуто ожидаемых результатов. Из нейрочипов создают нейроподобные системы, объединяя нейрочипы в сети. Используя высокие вычислительные мощности современных универсальных компьютеров и суперкомпьютеров, создаются программы, эмулирующие работу нейронных цепей. Применяется и смешанный вид нейроподобных вычислительных устройств - программно-аппаратный.
И наконец, появился проект создания гиперкомпьютера на новой технологической базе, которая, возможно, станет определяющей на долгие годы дальнейшего развития вычислительной техники. Новая технология - это быстрая одноквантовая логика (БОКЛ). В основе работы логических элементов лежит изменение заряда на один квант. Заряд циркулирует как угодно долго в замкнутом сверхпроводящем кольце. Элементы БОКЛ сочетают в себе логические функции и функции хранения информации (функции элементов памяти),
это меняет основные принципы построения вычислительных устройств. Как и первые электронные компьютеры, занимавшие несколько комнат, первые квантовые компьютеры будут казаться "монстрами", так как для поддержания сверхпроводимости потребуются специальные установки, поддерживающие сверхнизкие температуры. Как во всяком новом развивающемя направлении наука ищет выход. Не за горами возможности получения и использования веществ, обладающих свойствами сверхпроводников при комнатной
температуре. Первый компьютер на элементах БОКЛ планируется создать к 2007 году, ожидаемая производительность - петафлоп (операций с плавающей точкой в секунду)
Источники информации:
1. http://www.computerhistory.org/timeline
История вычислительной техники от 1945 до 1990гг.
2. http://parallel.ru/history/elbrus.html
3. Наталья Дубова. От «Эльбруса-3»— к «Эльбрусу-2000».
Еженедельник «Computerworld Россия», #27-28/2000
4. http://parallel.ru/history/vector_history.html
5. http://ftp.arl.mil/~mike/comphist/
History of Computing Information
|
