Эволюция электронных вычислительных машин

(статья из журнала Наука и Техника, от июля 1970 г.)

Современная вычислительная техника существует лишь немногим более 25 лет (первая ЭЦВМ — электронная цифровая вычислительная машина — появилась в США в 1943 году), тем не менее в этой области произошли значительные- изменения. Многократно увеличивалась производительность машин, расширялся класс решаемых задач. В приводимой ниже таблице показан рост быстродействия и объема оперативной памяти вычислительных машин, начиная с 1953 года.

Такое увеличение быстродействия стало возможным благодаря непрерывному совершенствованию элементов и структуры машин. Этот процесс шел настолько быстро, что в настоящее время специалисты говорят о четырех поколениях вычислительных машин.

Машины первого поколения — ламповые машины, весящие несколько тонн. Крупные фирмы, выпускавшие ЭЦВМ еще в 1958 году, прекратили все работы по созданию ЭЦВМ на лампах.

Второе поколение — машины, основным элементом которых являются полупроводниковые диоды и триоды. Вес этих машин от 200 до 400 кг.

Третье поколение составляют машины, разрабатываемые на базе микроэлектроники с применением интегральных (твердых) схем весом 5—50 кг. Переход на новые элементы позволил создавать машины намного производительнее и надежнее.

Разделение ЭЦВМ на поколения является относительным.

Это обстоятельство выявляет в определении систем четвертого поколения. Они характеризуются использованием компонентов на крупномасштабных интегральных схемах, наносекундным (10""9) временем выполнения команд и наличием запоминающих устройств объемом памяти в миллиарды битов.

Части машины

В настоящей статье термин «вычислительные машины» употребляется по отношению к машинам, которые «помнят», что им надлежит сделать. Такие машины можно назвать программно-управляемыми. Основной их функцией следует считать обработку данных безотносительно к природе этих данных. Простейшая блок-схема машины изображена на рис. 1.

Машина содержит четыре части. Процессор — это устройство, обрабатывающее информацию (от английского слова to process — обрабатывать).

Начальные данные и программа задачи через устройство ввода-вывода поступают в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Запоминающее устройство (ЗУ) называют оперативным в том случае, если оно непосредственно связано с процессором. Применяются также ЗУ, не связанные с процессором. Их называют внешними. Информация, хранящаяся во внешнем ЗУ, сначала передается в оперативное запоминающее устройство, а только затем она обрабатывается процессором. Устройство управления координирует работу остальных устройств.

Как это было...

Одними из первых машин, созданных у нас, были МЭСМ (малая электронно-счетная машина) и «Стрела». Большая электронно-счетная машина, разработанная в 1952 году в Институте точной механики и вычислительной техники АН СССР, уже имела сравнительно высокую производительность: 7—8 тысяч трехадресных операций в секунду.

Все операции в машине БЭСМ выполняются одним процессором параллельного действия. Оперативное запоминающее устройство сделано  на электроннолучевых трубках. Емкость ОЗУ — 1023 числа. Для решения больших задач такой емкости недостаточно, поэтому применены внешние ЗУ: магнитные барабаны и магнитные ленты. Выборка с барабана идет со скоростью 800 чисел в секунду, с ленты — 400 чисел в секунду.

Анализ работы машины показал, что больше 50% времени тратится на выборку нужных чисел из ОЗУ и последующую запись результатов. Если для решения задачи требовалась информация, хранимая во внешних ЗУ, то решение задачи прерывалось и, пока происходил обмен между внешним ЗУ и оперативным ЗУ, процессор простаивал. Таким образом, уже на заре вычислительной техники возникло несоответствие между возможностями процессора и запоминающих устройств. Это несоответствие характерно для первой машины «Урал». В этой машине в качестве ОЗУ был применен магнитный барабан. В результате машина «Урал» совершала 100 одноадресных операций в секунду.

Вершиной развития ламповых машин в СССР следует считать машину М-20. М-20 выполняет 20 000 операций в секунду. Это практически является пределом для ламповых машин.

Машины на полупроводниковых элементах удивляют мир.

Появление полупроводниковых элементов открыло новые возможности для создателей ЭЦВМ. 1965 год принято считать годом расцвета машин второго поколения.

По своим логическим возможностям полупроводниковые элементы ничем не отличаются от электронных ламп. Их достоинства — улучшенные электрические характеристики, в том числе многократное уменьшение рассеивающей мощности; значительно меньшие размеры и высокая надежность, во много раз превышающая надежность электронных ламп.

Решающим следует считать именно последнее обстоятельство. Оно позволило многократно увеличить количество элементов в машине, что, в свою очередь, повысило ее производительность.

Типичным представителем больших машин второго поколения является машина БЭСМ-6, разработанная в Институте точной механики и вычислительной техники АН СССР в 1968 году. БЭСМ-6 выполняет 1 млн. одноадресных операций в секунду. В машине, чтобы уменьшить время, уходящее на обращение к ОЗУ, между процессором и ОЗУ введена небольшая быстродействующая память магазинного типа, выполненная на тех же элементах, что и процессор. Коротко о принципе работы магазина. Допустим, что все ячейки магазина заняты. Приходит следующее слово (под машинным словом понимается полноразрядное двоичное число). После выполнения операции это слово записывается в первую ячейку магазина, слово, которое раньше находилось в первой ячейке, передвигается во вторую и т. д. Слово, которое находилось в последней ячейке, теряется. При наличии магазина, прежде чем обращаться к ОЗУ, проверяется его содержимое. Если необходимое слово выбирается из магазина, время операции значительно сокращается. После выполнения операции слово снова попадает в первую ячейку. Особенно эффективно машина работает на таких участках программы, где все необходимые данные находятся в магазине.

Производительность первых БЭСМ уменьшалась в силу того, что решение задачи прерывалось, пока происходил обмен между внешним ЗУ и ОЗУ. В БЭСМ-6 приняты меры во избежание такого положения. БЭСМ-6 одновременно решает несколько задач. ОЗУ разбивается на части, в каждой из которых запоминаются данные одной определенной задачи. Пока процессор решает одну задачу, для других выполняются обмен с внешним ЗУ, операции ввода-вывода. Как только для решения первой задачи требуются данные; находящиеся во внешних

ЗУ, процессор переходит к решению следующей задачи. Такой режим работы называется мультипрограммным.

За разработку и внедрение машины БЭСМ-6 группа сотрудников упомянутого института удостоена Государственной премии.

Машины наших дней

Одной из основных тенденций при создании ЭЦВМ всех поколений было уменьшение стоимости исполнения операций. По данным американской фирмы IBM, стоимость обработки 35 тыс. команд в 1950 г. составляла 1 доллар, а в 1967 году за ту же цену обрабатывалось 35 млн. команд. Фирма IBM является крупнейшим производителем интегральных схем. Этой же фирме принадлежит 70% мирового рынка ЭЦВМ. Основная продукция фирмы — машины серии 360. Самой мощной машиной серии 360 является модель 95. Время цикла этой машины 54 секунды, что обеспечивает максимальное быстродействие, близкое к 20 млн. операций в секунду.

В центре космических полетов США установлена модель 91. Максимальное быстродействие машины — 16 млн. сложений в секунду. Одновременно она решает до 15 задач. Ежедневно при помощи этой машины специалисты решают тысячи различных задач объемом примерно 200 млрд. операций.

Несмотря на то, что за последние 5 лет интегральная техника достигла значительных успехов, самая быстрая машина в мире сделана на дискретных элементах. Это машина фирмы «Control Data» марки СДС-7600, максимальная производительность которой составляет 36 млн. операций в секунду. Она установлена у нас в Объединенном институте ядерных исследований в г. Дубне. По мнению разработчиков, имеющиеся интегральные схемы не обладают такой надежностью и быстродействием, какие требуются для создания больших систем типа СДС-7600.

Выше указано, что уже для первых ЭЦВМ наблюдалось несоответствие между скоростью работ ОЗУ и процессора. Несмотря на то, что скорость работы ОЗУ значительно возросла, для лучших ОЗУ время цикла (время считывания и регенерации слова) составляет 500 наносекунд, тем не менее скорость работы ЗУ является фактором, ограничивающим быстродействие машины в целом. Дело в том, что непрерывно повышаются требования к емкости ЗУ. Для того чтобы обеспечить требуемую емкость и достаточное быстродействие, в настоящее время в больших системах применяется целая иерархия запоминающих устройств. Непосредственно с процессом связаны сверхбыстродействующие ЗУ небольшого объема (время цикла — 25—100 наносекунд, объем — до 1 К), выполненные, как правило, на интегральных элементах.

С другой стороны, характернейшую черту структуры современных машин — мультипроцессорность можно назвать стремлением к экономии памяти. Действительно, комплекс менее производительных однопроцессорных машин может обеспечить быстродействие, равное быстродействию больших мультипроцессорных систем. Разница только в том, что для каждой однопроцессорной машины требуется свое ЗУ, объем которого определяется классом решаемых задач.

Миллиард операций в секунду — это не фантастика.

Машина будущего, по-видимому, будет строиться на основе крупномасштабных интегральных схем. В одном корпусе площадью не более 1 см2 будет собрано свыше тысячи элементарных схем (логических вентилей).

Уже в настоящее время американская фирма «Westmghouse» разработала метод, позволявший получить 12 млн. транзисторов на кремниевой пластине площадью 6,45 см2. Машины четвертого поколения будут тратить на выполнение операции время порядка наносекунды, что обеспечит быстродействие около миллиарда операций в секунду. Объем памяти таких машин будет составлять биллионы бит.

Специалисты считают, что переход к машинам четвертого поколения будет носить характер скорее эволюционный, чем революционный. Одним из пяти типов ЭЦВМ, представляющих собой переходные методы от современных ЭЦВМ к будущим сверхмощным вычислительным машинам, является машина ILLIAC IV. Эта машина разрабатывается совместно фирмами «Burroughs» и «Texas Instruments» и Иллинойским университетом.

Машина ILLIAC IV выполняется в виде матрицы из 256 элементарных процессоров, организованных в четыре квадранта по 64 процессоров в каждом. Машина состоит из следующих функциональных узлов: четырех устройств управления (по одному на квадрант); системы ввода-вывода; внешнего ЗУ на магнитных дисках и вычислительной машины В-6500. Машина В-6500 осуществляет функцию диспетчера, организующего управление вычислительным процессором. В машине используются среднемасштабные интегральные схемы.

Планируется полностью ввести машину в эксплуатацию в середине 1970 года.

Подводя итоги, можно сказать, что с каждым годом все больше внимания уделяется разработке многопроцессорных вычислительных систем, построенных на базе интегральных схем, имеющих огромную память со сложной структурой.

Тэги: история эвм, история вычислительной техники в ссср, первые эвм в ссср, первые компьютерые в ссср, поколения эвм, история компьютеров в ссср