История инженерной деятельности

Немногим более 50 лет прошло с тех пор, как появилась первая электронная вычислительная машина. За этот короткий для развития общества период сменилось несколько поколений вычислительных машин. Что же является определяющим признаком при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению? Это, прежде всего, их элементная база (из каких основных элементов они построены). Элементной базой машин первого поколения были электронные лампы – диоды и триоды, ЭВМ второго поколения – полупроводниковые элементы, ЭВМ третьего поколения - интегральные схемы (ИС), ЭВМ четвертого поколения – большие интегральные схемы (БИС).

Конечно же, деление ЭВМ на поколения в определенной мере условно. Кроме элементной базы должны учитываться такие важные характеристики, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Существует немало моделей, которые по одним признакам относятся к одному, а по другим – к другому поколению. И все, же несмотря на эту условность, каждое поколение ЭВМ можно считать качественным скачком в развитии электронно-вычислительной техники.

Следует заметить, что первая ЭВМ (ЭНИАК) с программным управлением разрабатывалась в США в условиях Второй мировой войны и была построена к 1946 г. При сравнении ее с современной вычислительной техникой эту машину образно называют «динозавром в мире млекопитающих». Действительно, она представляла собой огромный по объему агрегат длиной более 30 м., содержала до 18 тыс. электронных ламп и потребляла около 150 кВт электроэнергии. Однако для своего времени она знаменовала большое достижение, так как применение электронных реле (триггеров) вместо электромеханических реле позволило почти на три порядка ускорить выполнение арифметических операций. В самом деле, если машина «МАРК II» могла выполнять в секунду около пяти сложений или одно умножение, то «ЭНИАК» способна была произвести до 5 тыс. сложений или 500 умножений в секунду.

Истекшие более 40 лет истории электронной вычислительной техники характеризировались стремительным улучшением характеристик ЭВМ и, прежде всего, увеличением быстродействия и емкости памяти.

Быстродействие, или, другими словами, скорость работы ЭВМ (V), измеряют количеством простейших операций (типа сложения или вычитания) в секунду, а емкость памяти (М) – количеством байтов. Напомним, что 1 байт = 8 бит.

Быстродействие ЭВМ определяет ее производительность, а емкость памяти – сложность задач, которые ЭВМ может решать (длину программы и количество исходных данных, необходимых для решения задачи). Но в конечном счете емкость памяти определяет также и производительность ЭВМ, так как при малой емкости быстродействующая машина быстро использует все размещенные в памяти данные в программу и будет простаивать и ждать, когда же извне будут введены новые данные и программа.

Рассмотрим теперь, как изменялись основные характеристики ЭВМ (быстродействие и емкость памяти) с момента их создания до настоящего времени. Первые ЭВМ имели быстродействие от сотен до тысяч операций в секунду и емкость памяти от сотен до тысяч байт. Заметим, что, говоря о памяти, мы здесь будем иметь в виду оперативную или внутреннюю память ЭВМ. Так называют ту часть памяти, в которой хранятся выполняемая программа и данные (или часть их), непосредственно используемые при выполнении этой программы. Очевидно, что оперативная память должна функционировать в темпе работы арифметического устройства ЭВМ. Кроме оперативной, различают внешнюю память на магнитных лентах и дисках. Внешняя память (особенно на магнитных лентах) может иметь практически неограниченную емкость.

Уже в 1960 г. существовали системы ЭВМ, віполнявшие миллионі операций в секунду, а емкость их памяти достигла сотен тысяч байт. Следует отметить что здесь речь идет о характеристиках лучших в мире, уникальных ЭВМ. Естественно, что ЭВМ серийного выпуска имели характеристики на один-два порядка ниже.

В 1970 г. уже біли созданы системы ЭВМ с быстродействием около сотен миллионов операций в секунду и емкостью памяти до десятков миллионов байт. Нужно сказать, что отдельно взятая ЭВМ в лучшем случае работает со скоростью до десятков миллионов операций в секунду, а большее быстродействие достигается созданием комплексов ЭВМ (машинных комплексов), состоящих из десятков и сотен компьютеров, которые одновременно могут решать отдельные части (фрагменты) одной и той же задачи.

Сейчас быстродействие наиболее совершенных многомашинных комплексов равняется миллиардам операций в секунду, а емкость памяти – сотням миллионов байт. Наконец, быстродействие комплексов может составлять несколько десятков миллиардов байт. Одновременно с увеличением быстродействия и емкости памяти стремительно уменьшаются габариты и стоимость ЭВМ, что достигается применением новых элементов и, главное, усовершенствованием технологии изготовления ЭВМ.

Весь путь развития электронных вычислительных машин можно разделить на несколько периодов, которым соответствуют отдельные поколения ЭВМ, характеризующиеся, как уже отмечалось, прежде всего, определенной элементной базой.

Первое поколение ЭВМ (1945 г. – конец 50-х гг.) представляли машины на вакуумных электронных лампах, вначале больших, затем миниатюрных. Их оперативная память работала на специальных запоминающих электронно-лучевых трубках, подобных кинескопам телевизоров, а с середины 1950-х гг. – на ферритовых сердечниках (колечках).

Примером машины первого поколения служит «БЭСМ» (быстродействующая электронная счетная машина), созданная в СССР под руководством академика С. А. Лебедева. Она была введена в эксплуатацию в 1952 г. и в течении нескольких последующих лет являлась одной из наиболее совершенных в Европе. Ее быстродействие достигало 10 тыс. простых операций в секунду. Под простыми операциями понимают операции типа сложения и вычитания. В дальнейшем во всех случаях, когда будет указываться быстродействие в операциях в секунду, будут подразумеваться простые операции. К машинам первого поколения относятся также несколько модификаций ЭВМ «Урал», «Минск» и др.

В конце 50-х гг. ХХ в. большое распространение получили машины второго поколения. В них на смену электронным лампам пришли диоды и транзисторы – значительно более экономичные и малогабаритные элементы, а основными элементами запоминающих устройств по-прежнему являлись ферритовые сердечники. Среди ЭВМ второго поколения в СССР наиболее широкое применение получили различные модификации машин «Урал» и «Минск».

Крупным шагом вперед в развитии отечественной и мировой вычислительной техники стало создание машины БЭСМ-6 под руководством С.А.Лебедева (1966 г.). Эта ЭВМ была в свое время одной из наиболее совершенных в мире. Быстродействие ее достигало миллиона операций в секунду. Модифицированные машины «БЭСМ-6» продолжают успешно работать до настоящего времени.

Во второй половине 1960-70-х гг. широко развернулось проектирование и производство ЭВМ третьего поколения. Это машины, построенные на интегральных схемах (ИС). Интегральная схема представляет собой микроминиатюрное полупроводниковое электронное устройство, элементы которого (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и др.) конструктивно объединены (интегрированы), соединены между собой электрически и размещены на одной общей подложке (обычно на кристалле особо чистого кремния или германия).

ЭВМ третьего поколения строились на интегральных схемах малой или средней степени интеграции, которые содержали от десятков до сотен электронных элементов. Такая ИС являлась обычно самостоятельным схемным узлом – усилителем, триггером, многовходовой логической схемой. Эта ИС может заменить собой один или несколько схемных каскадов, которые ранее монтировались из отдельных (дискретных) компонентов.

Типичными представителями ЭВМ третьего поколения являются машины серии «ІВМ-360», выпускавшиеся со второй половины 1960-х гг. ХХ в. фирмой «ІВМ» (США). К этим машинам близки по своим характеристикам, технологии и структуре машины Единой системы – ЕС ЭВМ. Их разработка – результат совместных усилий стран – Болгарии, Венгрии, Польши, СССР, Чехии и Словакии, между которыми в 1969 г. было подписано соответствующее многостороннее соглашение. Важной особенностью ЕС ЭВМ, предназначенных для решения широкого класса научно-технических, экономических, управленческих и других задач, была их программная совместимость. Это означает, что программа, составленная для решения некоторой задачи, может быть реализована на любой из машин серии, даже если эти машины существенно отличаются по быстродействию, емкости памяти, аппаратному составу. Производительность машин первой очереди ЕС ЭВМ (Ряд-1) составляла от 20 до 500 тыс. операций в секунду. Их последующие модели (Ряд-2 и Ряд-3) имели быстродействие от 30 тыс. до 4 млн операций в секунду. Продолжается разработка все более совершенных ЕС ЭВМ. В частности, изготовлена машина ЕС-1066 с максимальной производительностью 12,5 млн операций в секунду и оперативной памятью – 8-16 Мбайт.