Поколения электронных вычислительных машин
После создания в 1949 г. в Англии моделиEDSACбыл дан мощный импульс развитию универсальных ЭВМ, стимулировавший появление в ряде стран моделей ЭВМ, составивших первое поколение. На протяжении более 40 лет развития ВТ появилось, сменяя друг друга, несколько поколений ЭВМ. Появление новых поколений мотивировалось расширением сферы и развитием методов их применения, требовавших более производительной, дешевой и надежной ВТ, а также появлением новых электронных технологий. Так как ЭВМ представляет собой систему, состоящую из технических и программных средств, то под поколением естественно понимать модели ЭВМ, характеризуемые одинаковыми технологическими и программными решениями (элементная база, логическая архитектура, программное обеспечение). Между тем, в ряде случаев оказывается весьма сложным провести классификацию ВТ по поколениям, ибо грань между ними от поколения к поколению становиться все более размытой.
Развитием Е08АС-проекта стало создание серии ЭВМ LEO(1951 г.), DEDUCE (1954 г., Англия); ENIAC (1950 г.), Gamma-40 (1952 г., Франция), Минск-1, Урал-2, М-20 (СССР) и др. Следует отметить созданную в 1952 г. под влиянием идей Джона фон Неймана ЭВМ WhirlWind-1 (Вихрь-1), использующую оперативную память на ферритовых сердечниках (впоследствии повсеместно использующихся для ЗУ) и являющуюся самой быстродействующей ЭВМ в середине 50-х годов: 330 тыс. оп/с (сложение) и 60 тыс. оп/с (умножение). Отечественная ЭВМ БЭСМ явилась первой и одной из самых быстродействующих в континентальной Европе. Самыми первыми серийными ЭВМ стали: FerrantiMark 1, UNIVAC 1, LEO 1.
ЭВМпервого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы и реле; оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках; быстродействие было, как правило, в пределах 5–30 тыс. арифметических оп/с; они отличались невысокой надежностью, требовали систем охлаждения и имели значительные габариты. Процесс программирования требовал значительного искусства, хорошего знания архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. На первых порах данного этапа использовалось программирование в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились автокоды и ассемблеры, в определенной мере автоматизирующие процесс программирования задач. Как правило, ЭВМ первого поколения использовались для научно-технических расчетов, а сам процесс программирования больше напоминал искусство, которым занимался весьма узкий круг математиков, инженеров-электриков и физиков.
Второе поколение. Создание в США в 1948 г. первого транзисторане предвещало нового этапа в развитии ВТ и ассоциировалось, прежде всего, с радиотехникой. На первых порах это был скорее опытный образец нового электронного прибора, требующий серьезного исследования и доработки. Однако уже в 1951 г. У. Шокли продемонстрировал первый надежный транзистор. Однако стоимость их была достаточно велика (до 8 долларов за штуку), и только после разработки кремниевой технологии цена их резко снизилась, способствовав ускорению процесса минитюаризации в электронике, захватившего и ВТ.
Общепринято, что второе поколение начинается с ЭВМ КСА-501, появившейся в 1959 г. в США и созданной на полупроводниковой элементной базе. Между тем, еще в 1955 г. была создана бортовая транзисторная ЭВМ для межконтинентальной баллистической ракеты АТ1А5. Новая элементная технология позволила резко повысить надежность ВТ, снизить ее габариты и потребляемую мощность, а также значительно повысить производительность. Это позволило создавать ЭВМ с большими логическими возможностями и производительностью, что способствовало распространению сферы применения ЭВМ на решение задач планово-экономических, управления производственными процессами и др. В рамках второго поколения все более четко проявляется дифференциация ЭВМ на малые, средние и большие, позволившая существенно расширить сферу применения ВТ, приступить к созданию автоматизированных систем управления предприятиями (АСУ), целыми отраслями (ОАСУ) и технологическими процессами (АСУТП). Однако данный прогресс обеспечивался не только собственно развитием ЭВМ, большую роль здесь играло и развитие сопутствующего оборудования (средства ввода/вывода, внешняя память и др.). При этом от поколения к поколению данная компонента большую роль, во многом определяя уровень интерфейса пользователя с ЭВМ и их возможности по обработке информации.
Третье поколение связывается с появлением ЭВМ с элементной базой на интегральных схемах (ИС). В январе 1959 г. Д. Килби была создана первая ИС, представляющая собой тонкую германиевую пластинку длиной в 1 см. Для демонстрации возможностей интегральной технологиифирма TexasInstruments создала для ВВС США бортовой компьютер, содержащий 587 ИС, и объемом в 150 раз меньшим, чем у аналогичной ЭВМ старого образца. Но у ИС Килби был ряд существенных недостатков, которые были устранены с появлением в том же году планарныхИС Р. Нойса.
На одном квадратном миллиметре ИС оказалось возможным размещать тысячи логических элементов. ЭВМ третьего поколения, как правило, образуют серии моделей, программно совместимых снизу вверх и обладающих возрастающими от модели к модели возможностями. Вместе с тем, данная технология позволяла реализовывать намного более сложные логические архитектуры ЭВМ и их периферийного оборудования, что существенно расширяло функциональные и вычислительные возможности ЭВМ.
Наиболее важным критерием различия ЭВМ 2-го и 3-го поколений является существенное развитие архитектуры ЭВМ, удовлетворяющей требованиям как решаемых задач, так и работающих на них программистов. С разработкой экспериментальных ЭВМ Stretch фирмы IBM и Atlas Манчестерского университета подобная концепция архитектуры ЭВМ стала реальностью; воплотила ее уже на коммерческой основе фирма IBM созданием широко известной серии IBM/360. Частью ЭВМ становятся операционные системы (ОС), появились возможности мультипрограммирования; многие задачи управления памятью, устройствами ввода/вывода и другими ресурсами стали брать на себя ОС или же непосредственно аппаратная часть ЭВМ.
Первой такой серией, с которой принято вести отсчет 3-го поколения, является широко известная серия моделей IBMSeries/360 (или кратко IBM /360), серийный выпуск которой был начат в США в 1964 г.; а уже к 1970 г. серия включала 11 моделей. Данная серия оказала большое влияние на дальнейшее развитие ЭВМ общего назначения во всех странах в качестве эталона и стандарта для многих проектных решении в области ВТ (что имело как свои положительные, так и отрицательные стороны. В СССР и других странах СЭВ с 1972 г. было начато производство Единой серии ЭВМ (ЕС ЭВМ), копирующей (насколько это было технологически возможно) серию IBM/360. Наряду с серией ЕС ЭВМ в странах СЭВ и СССР с 1970 г. было начато производство серии малых ЭВМ (СМ ЭВМ), совместимых с известной PDP-серией.
Если модели серии IBM/360 не полностью использовали ИС-технологию (применялись и методы минитюаризации дискретных транзисторных элементов), то новая серия IBM /370 была реализована уже по 100%-й ИС-технологии, сохраняла преемственность с 360-й серией, но ее модели имели значительно лучшие технические характеристики, более развитую систему команд и ряд важных архитектурных новшеств. Большое внимание уделяется созданию пакетов прикладных программ(ППП) различного назначения.
Конец 60-х годов в СССР характеризуется большим разнообразием несовместимых средств ВТ, серьезно уступающим по основным показателям лучшим зарубежным моделям, что потребовало выработки более разумной технической политики в данном стратегически важном вопросе. Принимая во внимание весьма серьезное отставание в этом вопросе от развитых в компьютерном отношении стран (и в первую очередь, от извечного конкурента – США) и было принято решение, выглядевшее весьма заманчиво – использовать отработанную и апробированную в течение 5 лет и уже хорошо зарекомендовавшую себя IBM -серию с целью быстрого и дешевого внедрения ее в народное хозяйство, открывая широкий доступ к весьма богатому программному обеспечению, созданному к тому времени за рубежом. Не затрагивая правовых и других вопросов, связанных с созданием ЕС ЭВМ, обратим внимание на последствия подобного решения, сказывающиеся и по сей день.
Во-первых, внедрение в массовое производство моделей ВТ с отставанием на 8 лет (срок почти целого поколения ЭВМ) неизбежно вело к отставанию отечественной вычислительной промышленности и технологической идеологии пользователя, попадающего, к тому же, в полную зависимость от IBM-идеологии. Во-вторых, привлечение к работам над уже устаревшими проектами большой армии ведущих ученых и специалистов наносило непоправимый ущерб отечественным оригинальным разработкам и компьютерной идеологии. В-третьих, новые поколения разработчиков и пользователей ВТ уже априори попадали в зависимость от IBM -идеологии, включая и нынешний этап развития ВТ. И сегодня мы имеем весьма парадоксальный результат – обладая достаточно большим числом весьма квалифицированных программистов, часто превосходящих по квалификаций зарубежных (далеко не худших), мы не имеем образцов отечественной ВТ, серьезно конкурирующих с лучшими образцами ВТ США, Японии, Германии, Великобритании и др. Ведь выдержать конкуренцию при столь бурном развитии ВТ во всем мире можно только за счет передовых элементной базы и архитектурных решений.
Четвертое поколение. Конструктивно-технологической основой ВТ 4-го поколения становятся большие (БИС) и сверхбольшие(СБИС) интегральные схемы, созданные соответственно в 70–80-х гг. Такие ИС содержат уже тысячи, десятки и сотни тысяч транзисторов на одном кристалле (чипе). При этом БИС-технология частично использовалась уже и в проектах предыдущего поколения (IBM /360, ЕС ЭВМ ряд-2 и др.).
Наиболее важный в концептуальном плане критерий, по которому ЭВМ 4-го поколения можно отделить от ЭВМ 3-го поколения, состоит в том, что первые проектировались уже в расчете на эффективное использование современных ЯВУ и упрощения процесса программирования для проблемного программиста. В аппаратном отношении для них характерно широкое использование ИС-технологии и быстродействующих запоминающих устройств. Наиболее известной серией ЭВМ четвертого поколения можно считать IBM /370, которая в отличие от не менее известной серии IBM /360 3-го поколения, располагает более развитой системой команд и более широким использованием микропрограммирования. В старших моделях 370-й серии был реализован аппарат виртуальной памяти, позволяющий создавать для пользователя видимость неограниченных ресурсов оперативной памяти. Наряду с этим появилась возможность создавать из разных машин серии многопроцессорные комплексы, работающие на общем поле оперативной памяти или на обобществленных внешних устройствах и каналах связи. После серии IBM /370было создано более 10 IBM-моделей, из которых не все выпускались серийно; из наиболее интересных можно отметить мощные модели IBM 158, IBM 168 и IBM 196 производительностью соответственно в 5, 7 и 15 млн. оп/с.
Парк всех машин четвертого поколения можно условно разделить на пять основных классов: микро-ЭВМ и персональные компьютеры (ПК), мини-ЭВМ, специальные ЭВМ, ЭВМ общего назначения и супер-ЭВМ. В свою очередь, например, ЭВМобщегоназначения можно по ряду характеристик (производительность, объем ОП и др.) подразделять на малые, средние и большие.На наш взгляд, именно два класса машин – ПК и супер-ЭВМ определяют лицо 4-го поколения, хотя их предшественники (как и ряд других характерных черт) зародились еще в рамках предыдущего поколения. К определяющей черте 4-го поколения следует также отнести и создание больших информационно-вычислительных сетей, объединяющих различные классы и типы ЭВМ, а также развитых информационно-интеллектуальных систем различного назначения. В отличие от ВТ первых трех поколений ЭВМ 4-го поколения правильнее было бы характеризовать тремя основными показателями: (1) элементной базой (СБИС), (2) персональным характером использования (ПК) и (3) нетрадиционной архитектурой (супер-ЭВМ).