Классификация ЭВМ по размерам и вычислительной мощности

По размерам и вычислительной мощности компьютеры можно разде-

лить (рис. 6.5) на сверхбольшие (суперкомпьютеры, суперЭВМ), большие, ма-

лые и сверхмалые (микрокомпьютеры или микроЭВМ).

Функциональные возможности компьютеров обусловлены такими важ-

нейшими технико-эксплуатационными характеристиками, как:

□ быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, вы-

полняемых машиной за единицу времени;

□ разрядность и формы представления чисел, которыми оперирует компь-

ютер;

□ номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих уст-

ройств;

□ номенклатура и технико-экономические характеристики внешних уст-

ройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

□ типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов компьютера между собой (тип внутримашинного интерфейса);

□ способность компьютера одновременно работать с несколькими пользо-

вателями и выполнять параллельно несколько программ (многозадачность);

□ типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных сис-

тем, используемых в машине;

□ наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

□ способность выполнять программы, написанные для других типов ком-

пьютеров (программная совместимость с другими типами компьютеров);

□ система и структура машинных команд;

□ возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;

□ эксплуатационная надежность компьютера;

□ коэффициент полезного использования компьютера во времени, опре-

деляемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Исторически первыми появились большие ЭВМ,элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой сте-

пенью интеграции.

Первая большая ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)

была создана в 1946 году. Эта машина весила более 30 тонн, имела быстродей- ствие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел, занимала зал площадью около 150 м2.

Производительность больших компьютеров оказалась недостаточной для ряда задач (прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборон- ными комплексами, биологических исследований, моделирования экологиче-

ских систем и др.).Это явилось предпосылкой для разработки и создания су- перкомпьютеров,самых мощных вычислительных систем, интенсивно разви- вающихся и в настоящее время. Появление в 70-х годах малых компьютеровобусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной

базы, а с другой — избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложе- ний. Малые компьютеры используются чаще всего для управления технологи- ческими процессами. Они более компактны и существенно дешевле больших

компьютеров. Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-компьютера — вычислительной

машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых компьютеров, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.

Изобретение в 1969 году микропроцессора(МП) привело к появлению в

70-х годах еще одного класса компьютеров — микрокомпьютеров.Именно наличие МП послужило первоначально определяющим признаком микроком-

пьютеров. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах компьютеров.

Рассмотрим кратко современное состояние некоторых классов компьюте-

ров.

Большие компьютеры

Большие компьютеры за рубежом часто называют мэйнфреймами(main- frame); к ним относят, как правило, компьютеры, имеющие:

□ высокую производительность не менее 100 MIPS;

□ большую основную память;

□ внешнюю память не менее 100 Гбайт;

□ многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от

16 до 1000 пользователей).

Основные направления эффективного применения мэйнфреймов — реше-

ние научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вы-

числительными сетями и их ресурсами. Последнее направление — использова-

ние мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей — часто отмечается специалистами как наиболее актуальное.

ПРИМЕЧАНИЕ

Мэйнфреймы часто именуются большими серверами (серверами-мэйнфреймами). В принципе это допустимо, но иногда вносит путаницу в терминологию. Дело в том, что сер- веры — это многопользовательские компьютеры, используемые в вычислительных сетях. Серверы обычно относят к микрокомпьютерам, но по своим характеристикам мощные сер- веры можно отнести и к малым компьютерам, и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы при- ближаются к суперкомпьютерам. Сервер — это классификационная группа компьютеров, выделяемая по сфере применения компьютеров, а микрокомпьютеры, малые компьютеры, мэйнфреймы, суперкомпьютеры — это классификационные группы компьютеров, выделяе- мые по размерам и функциональным возможностям.

Родоначальником современных больших компьютеров, по стандартам ко- торых в последние несколько десятилетий развивались машины этого класса в большинстве стран мира, являются машины фирмы IBM.Модели IBM 360 и

IBM 370 с их архитектурой и программным обеспечением взяты за основу и при создании отечественной системы больших машин ЕС ЭВМ.

Среди лучших разработок мэйнфреймов за рубежом следует в первую оче-

редь отметить американские:

□ IBM 3090, IBM 4300 (4331, 4341,.4361, 4381), пришедшие на смену IBM

380 в 1979 году (2-е поколение мэйнфреймов);

□ IBM ES/9000, созданные в 1990 году (3-е поколение);

□ S/390 и AS/400 (4-е поколение).

Распространенными в мире являются и японские компьютеры М 1800 фирмы Fujitsu и Millennium фирмы Amdahl (теперь дочернего предприятия корпорации Fujitsu), а также мэйнфреймы 8/*, 9/*, М2000 и С2000 немецкой фирмы Comparex Information Systems. Семейство мэйнфреймов М 1800 фирмы Fujitsu пришло в 1990 году на смену моделям V 780 и включает в себя 5 новых моделей: Model-20, 30, 45, 65, 85; старшие модели Model-45, 65, 85 — много- процессорные компьютеры, соответственно, с 4, 6 и 8 процессорами; последняя старшая модель имеет основную память емкостью 2 Гбайт и 256 каналов ввода- вывода.

Немецкая фирма Comparex выпускала мэйнфреймы 3-го поколения (сейчас поставляются second hand системы): модели 8/8х, 8/9х, 9/8хх, 9/9хх, 99/ххх, со- держащие до 8 процессоров, оперативную память до 8 Гбайт и имеющие про- изводительность от 20 до 385 MIPS. В настоящее время производятся мэйн- фреймы 4-го поколения: М2000 и С2000, имеющие производительность, соот- ветственно, до 990 и 870 MIPS, объем оперативной памяти до 8000 и 16 000

Мбайт. Среднее время наработки на отказ у этих систем чрезвычайно большое

— 12 лет. По сравнению с машинами 3-го поколения существенно уменьши-

лись габариты (конструктив 1-2 шкафа) и потребляемая мощность (8-

процессорная модель М2000 потребляет 50 КБ А, а 8-процессорная модель

99/ххх — 171 КВА и требует водяного охлаждения).

Зарубежными фирмами рейтинг мэйнфреймов определяется по многим показателям, среди них:

□ надежность,

□ производительность;

□ емкость основной и внешней памяти;

□ время обращения к основной памяти;

□ время доступа и трансфер внешних запоминающих устройств;

□ характеристики кэш-памяти;

□ количество каналов и эффективность системы ввода-вывода;

□ аппаратная и программная совместимость с другими компьютерами;

□ поддержка сети и т. д.

Малые компьютеры

□ Малые компьютеры (миниЭВМ)— надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравне- нию с мэйнфреймами возможностями.

Все модели миникомпьютеров разрабатываются на основе микропроцес- сорных наборов интегральных микросхем, 32, 64 и 128-разрядных микропро- цессоров. Основные их особенности:

□ широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения;

□ аппаратная реализация большинства системных функций ввода-

вывода информации;

□ простая реализация многопроцессорных и многомашинных систем;

□ высокая скорость обработки прерываний;

□ возможность работы с форматами данных различной длины.

К достоинствам миникомпьютеров можно отнести:

□ специфичную архитектуру с большой модульностью;

□ лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность—цена;

□ повышенную точность вычислений.

Миникомпыотеры ориентированы на использование в качестве управляю- щих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками меж-

процессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислитель- ных систем с изменяемой структурой. Наряду с использованием миникомпью- теров для управления технологическими процессами, они успешно применяют-

ся для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в сис- темах автоматизированного проектирования, в системах моделирования не- сложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Родоначальником современных миникомпьютеров можно считать компь- ютеры PDP-11 фирмы DEC(США), они явились прообразом и наших отечест- венных миниЭВМ - Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ 1, 2, 3, 4, 1400, 1700

и т. д. В настоящее время семейство миникомпьютеров PDP-11 включает большое число моделей, начиная от VAX-11 до VAX-3600; мощные модели миникомпьютеров класса 8000 (VAX-8250, 8820); суперминикомпыотеры клас-

са 9000 (VAX-9410, 9430) и т. д.

Миникомпыотеры VAX полностью перекрывают весь диапазон характери- стик этого класса компьютеров и в подклассе суперминикомпьютеров стирают грань с мэйнфреймами.

Среди прочих миникомпьютеров следует отметить:

□ однопроцессорные: IBM 4381, HP 9000;

□ многопроцессорные: Wang VS 7320, AT&T ЗВ 4000;

□ суперминикомпыотеры HS 4000, по характеристикам не уступаю-

щие мэйнфреймам.

Микрокомпьютеры

Микрокомпьютерывесьма многочисленны и разнообразны. Среди них можно выделить несколько подклассов (рис. 6.6).

□ Многопользовательские микрокомпьютеры — это мощные микроком-

пьютеры, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу

нескольким пользователям.

□ Персональные компьютеры — однопользовательские микрокомпьютеры,

удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности примене-

ния.

□ Рабочие станции (workstation) представляют собой однопользователь- ские микрокомпьютеры, часто специализированные для выполнения опреде- ленного вида работ (графических, инженерных, издательских и т. д.).

□ Серверы (server) — многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети.

□ Сетевые компьютеры (network computer) — упрощенные микрокомпью- теры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто спе- циализированные на выполнение определенного вида работ (защита сети от не- санкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, элек- тронной почты и т. д.).

Персональные компьютеры(ПК) относятся к классу микрокомпьютеров,

но ввиду их массовой распространенности заслуживают особого внимания. ПК для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности приме- нения должна обладать такими качествами, как:

□ малая стоимость ПК, находящаяся в пределах доступности для ин-

дивидуального покупателя;

□ автономность эксплуатации без специальных требований к услови-

ям окружающей среды;

□ гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптируемость к разно-

образным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

□ дружественность операционной системы и прочего программного обес-

печения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специ-

альной профессиональной подготовки;

□ высокая надежность работы (более 5000 часов наработки на отказ).

Среди современных ПК в первую очередь следует отметить компьютеры американской фирмы IBM (International Business Machine Corporation).

Широко известны персональные компьютеры, выпускаемые американски-

ми фирмами: Apple (компьютеры Macintosh), Compaq Computer, Hewlett-

Packard, Dell, DEC (Digital Equipment Corporation), а также фирмами Велико- британии: Spectrum, Amstrad; Франции: Micral; Италии: Olivetti; Японии: To- shiba, Matsushita (Panasonic) и Partner.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьютеры фирмы IBM, первые модели которых появились в 1981 году, и их

аналоги других фирм; существенно уступают по популярности ПК фирмы Ap- ple (Macintosh), занимающие по распространенности 2-е место.

В настоящее время мировой парк компьютеров составляет более четверти миллиарда штук, из них около 90% — это персональные компьютеры (компью-

теров типа IBM PC более 80% всех ПК).

Отечественная промышленность (страны СНГ) выпускала микрокомпью-

теры:

□ Apple-совместимые — диалоговые, вычислительные комплексы ДВК-1-

ДВК-4 на основе «Электроника МС-1201»; «Электроника 85», «Электроника

32» и т. п.;

□ IBM PC-совместимые - ЕС1840-ЕС1842, ЕС1845, ЕС1849, ЕС1861, «Ис-

кра 1030», «Истра 4816», «Нейрон И9.66» и т. д.

По поколениям персональные компьютеры делятся на:

o 1-го поколения: используют 8-битовые микропроцессоры;

o2-го поколения: используют 16-битовые микропроцессоры;

o3-го поколения: используют 32-битовые микропроцессоры;

o4-го поколения: используют 64-битовые микропроцессоры.

Суперкомпьютеры

К суперкомпьютерамотносятся мощные многопроцессорные вычисли- тельные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду.

Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропро-

цессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленно-

го конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300

000 км/с), поскольку время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 милли- ардов операций в секунду становится соизмеримым со временем выполнения

одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде высокопарал-

лельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей.

1. Магистральные(конвейерные) МПВС, у которых процессор одновре- менно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабаты- ваемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к систе- мам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD — Multiple Instruction Single Data).

2. ВекторныеМПВС, у которых все процессоры одновременно выпол-

няют одну команду над различными данными — однократный поток команд с

многократным потоком данных (ОКМД или SIMD – Single Instruction Multiple

Data).

3. МатричныеМПВС, у которых микропроцессор одновременно выпол- няет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых дан- ных – многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD – Multiple Instruction Multiple Data).

Условные структуры однопроцессорной (SISD) и названных многопроцес-

сорных ВС показаны на рис. 6.7.

В суперкомпьютере используются все три варианта архитектуры МПВС:

□ структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпь-

ютере BSP фирмы Burrought);

□ параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть много-

процессорная (Multiple) MISD архитектура (например в суперкомпьютере

«Эльбрус 3»);

□ параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопро-

цессорная SIMD архитектура (например в суперкомпьютере Cray 2).

Наибольшую эффективность показала MSIMD архитектура, поэтому в со- временных суперкомпьютерах чаще всего находит применение именно она (су- перкомпьютеры фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachi и т. д.)- Первый суперкомпью- тер был задуман в 1960 и создан в 1972 году (машина ILLIAC IV с производи- тельностью 20 MFLOPS), а начиная с 1975 года лидерство в разработке супер- компьютеров захватила фирма Cray Research, выпустившая Cray 1 с производи- тельностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 8 Мбайт, а в 1984 го- ду — Cray 2, в полной мере реализовавший архитектуру MSIMD и ознамено- вавший появление нового поколения суперкомпьютеров. Производительность Cray 2 — 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти — 2 Гбайт (классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресурсов компьютера — «ка- ждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайт оперативной памяти»).

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперкомпью-

теров, начиная от простых офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y- MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SX-3 и SX-X

компании NEC, VP 2000 компании Fujitsu (обе фирмы японскиеХ VPP 500 ком-

пании Fujitsu Siemens (немецко-японская) и т. д., производительностью не-

сколько десятков тысяч MFLOPS.

Среди лучших суперкомпьютеров можно отметить и отечественные супер-

компьютеры. В сфере производства суперкомпьютеров Россия, пожалуй, впер-

вые, представила собственные оригинальные модели компьютеров (все осталь- ные, включая и ПЭВМ, и малые ЭВМ, и универсальные компьютеры за редким исключением, например ЭВМ «Рута НО», копировали зарубежные решения, и, в первую очередь, разработки фирм США).

В СССР, а позднее в России была разработана и реализуется (сейчас, прав- да, почти заморожена) государственная программа разработки суперкомпьюте- ров. В рамках этой программы были спроектированы и выпущены такие супер-

компьютеры, как повторяющая Cray-архитектуру модель «Электроника СС БИС», оригинальные разработки: ЕС 1191, ЕС 1195, ЕС 1191.01, ЕС 1191.10,

«Эльбрус».