Второе поколение (1955 -1965 г) - транзисторы

На смену лампам в электронных схемах пришли транзисторы. ЭВМ стали меньше по габаритам, увеличилось быстродействие и надежность. Появились ОС, языки высокого уровня, повысилось быстродействие. В СССР это машины: Наири, Минск, БЭСМ-6, Мир. Наиболее производительными ЭВМ этого поколения являются: Стреч (США), Атлас (Великобритания), БЭСМ-6 (СССР).

Третье поколение (1965-1980 г.) – на интегральных схемах

Это поколение связано с появлением интегральных микросхем. На одной микросхеме размещались десятки транзисторов. Компьютеры несколько уменьшились в размерах, работали быстрее и стоили дешевле. Повысилась надежность, уменьшились габариты, увеличилось быстродействие. Отличительной особенностью машин этого поколения является их совместимость между собой как аппаратная, так и программная.

Впервые идею общей архитектуры, обеспечивающей выполнение ранее написанных программ на других моделях, предложила корпорация IBM. Она выпустила линейку транзисторных компьютеров SYSTEM/ 360 (IBM/360, IBM/370).

Появляются большие ЭВМ, которые используют для обслуживания крупных организаций и отраслей хозяйства. Большие ЭВМ – так их называют в России. За рубежом их называют – мэйнфреймы (mainframe). Это большой компьютер, предназначенный для решения задач, связанных с интенсивными вычислениями и обработкой больших массивов данных (универсальный, высокопроизводительный, отказоустойчивый компьютер, предназначенный для использования в системе интенсивной пакетной обработки и трансакциями). Основными разработчиками мэйнфреймов является корпорация IBM. На базе таких машин создаются ВЦ, из нескольких отделов и групп. Основной блок ЭВМ – центральный процессор. Он помещается в отдельном помещении с определенным температурным режимом. ВЦ включает группы: системного программирования, прикладного программирования, подготовки данных, технического и информационного обеспечения. Использование больших ЭВМ отличается высокой стоимостью оборудования и обслуживания. Отличительная особенность: надежность (среднее время наработки на отказ 12-15 лет); высокое быстродействие (1-10 миллионов операций в сек.); доступ к данным (данные хранятся на сервере и нет необходимости сбора данных из других источников); дублирование (резервный модуль памяти и 2 резервных процессора).

Нововведением являлось также мультипрограммирование и разделение времени. В памяти компьютера могло находиться одновременно несколько программ, и пока одна программа ждала, когда закончится процесс ввода/вывода, другая выполнялась. В результате ресурсы процессора расходовались более рационально. В восточной Европе были выпущены аналоги зарубежных семейств под общим названием - ЕС ЭВМ (российский мейнфрейм). В этот период также одновременно появились и мини-ЭВМ.

1974г. – появился первый микропроцессор INTEL 4004 и компьютер INTEL 8008.

Четвертое поколение (1980 – 20??) - сверхбольшие интегральные схемы (СБИС)

СБИС стали основой четвертого поколения ЭВМ и существуют до настоящего времени. Их появление позволило на одну плату (кристалл) помещать миллионы транзисторов, т.е. в одной микросхеме собрать целый узел, например, микропроцессор. Это привело к созданию компьютеров меньшего размера, возросла надежность, повысилось быстродействие, уменьшилась стоимость. Возможность приобретать компьютеры появилась не только у организаций, но и у отдельных людей. Началась эра персональных компьютеров.

Первый 8-ми разрядный процессор Intel 8080 был выпущен специально для компьютеров. На его базе был разработан микрокомпьютер Альтаир, который имел коммерческий успех. Кроме того, на нем Бил Гейтс и Пол Ален реализовали язык Бейсик.

Первые персональные компьютеры продавались в виде комплексов. Каждый комплект содержал печатную плату, набор интегральных схем, включающий схему INTEL 8080, источник питания и 8 -ми дюймовый дисковод. Сложить из частей компьютер должен был пользователь сам. Программное обеспечение к комплекту не прилагалось, приходилось писать самим. Позднее появилась ОС CP/M (Control Program/Monitor) для 8-ми разрядных микрокомпьютеров (Control Programs for Microcomputers). Она помещалась на дискету и включала в себя систему управления файлам и интерпретатор для выполнения пользовательских команд.

Еще один персональный компьютер Apple, был разработан Стивом Джобсом. Этот компьютер стал популярным среди пользователей, что сделало компанию серьезным игроком на рынке.

Компания IBM совершенствовала компьютеры и создала ПК на базе процессора INTEL 8088. Этот компьютер (IBM PC) появился в 1981 году и стал самым популярным компьютером в истории. В 1985 году был выпущен первый представитель линейки Pentium.

Позже на смену компьютеров с полным набором команд (CISC – Complex Instruction Set Computer) пришел компьютер RISC (Reduced Instruction Set Computer) – компьютер с сокращенным набором команд.

Кроме персональных компьютеров к 4-му поколению относятся серверы – мощные ВМ, которые используются для управления компьютерными сетями. Серверы предоставляют свои ресурсы в коллективное пользование и могут эффективно одновременно обслуживать большое количество пользователей.

Важное направление в компьютерах этого поколения - параллельная обработка данных и как следствие создание многоядерных процессоров. Такие многопроцессорные компьютеры называют суперкомпьютерами.

Суперкомпьютерами принято называть компьютеры с огромной вычислительной мощностью, которые используются для работы с приложениями, требующими интенсивных вычислений (или это специализированная вычислительная машина, превосходящая по техническим параметрам и по скорости вычислений существующие компьютеры). Используются для прогнозирования погоды, при моделировании ядерных испытаний и т.п..

Производительность СК оценивается в количестве операций с плавающей точкой в секунду (FLOPS).

Чтобы решать все возрастающие по сложности задачи, разработчики компьютеров обратились к компьютерам параллельного действия (распараллеливание действий – способность распределять задачи между компьютерами).

Один процессор позволяет распараллеливать задачи – это многоядерные процессоры. Если несколько процессоров выполняют задачи, то это многопроцессорные системы.

Невозможно построить компьютер с 1-м процессором и временем цикла в 0.001 нс, но зато можно построить компьютер с 1000 процессорами, время цикла каждого из которых составляет 1 нс.

Параллелизм может быть достигнут на разных уровнях. Можно реализовать параллельность за счет конвейеризации (способ организации вычислений в процессоре, а для процессора – увеличение количества инструкций за определенный промежуток времени). Можно реализовать этот принцип в виде мультипроцессорных систем и мультикомпьютеров (кластерных компьютеров), это – несколько объединенных высокоскоростными каналами связи компьютеров, управляемых и используемых как единое целое.

Бурное развитие в этом направлении:

Планка в 1 миллиард флопс (операции с плавющей точкой в 1 секунду) (1 Гигафлопс) была преодолена суперкомпьютерами NEC SX-2 в 1983 году с результатом 1.3 Гфлопс, и М-13 академика Карцева с результатом в 2, 4 Гфлопс.

Граница в 1 триллион флопс (1 Тфлопс) была достигнута в 1996 году суперкомпьютером ASCI Red.

Рубеж 1 квадриллион флопс (1 Петафлопс) был взят в 2008 году суперкомпьютером IBM Roadrunner.

С 2010-ых годах несколькими странами ведутся работы, нацеленные на создание к 2020 году экзафлопсных компьютеров, способных выполнять 1 квинтиллион операций с плавающей точкой в секунду, и потребляющих при этом не более нескольких десятков мегаватт.

Итак, мы видим, что без суперкомпьютеров сегодня действительно не обойтись. Осталось прояснить еще один вопрос: почему они считают так быстро? Это может быть связано, во-первых, с развитием элементной базы и увеличением тактовой частоты и, во-вторых, с использованием новых решений в архитектуре компьютеров – параллельной обработки.

Начиная с 1993, суперкомпьютеры ранжируют в списке Top500. Самым мощным суперкомпьютером по этому списку на ноябрь 2014 года является Tianhe-2 (тенхе) (Китай). Tianhe-2 («Млечный путь-2») Китайского национального университета оборонных технологий (с июня 2013 —) мощностью 33, 86 петафлопс.

система Intel ASCI RED, построенная по заказу Министерства энергетики США. Чтобы представить себе возможности этого суперкомпьютера, достаточно сказать, что он объединяет в себе 9632 (!) процессора Pentium Pro, имеет более 600 Гбайт оперативной памяти и общую производительность в 3200 миллиардов операций в секунду. Человеку потребовалось бы 100 000 лет, чтобы даже с калькулятором выполнить все те операции, которые этот компьютер делает всего за 1 секунду!

Наиболее известна линия отечественных суперкомпьютеров МВС-1000, создаваемая в кооперации научно-исследовательских институтов Российской академии наук и промышленности. Супер-ЭВМ линии МВС-1000 - это мультипроцессорный массив, объединенный с внешней дисковой памятью, устройствами ввода/вывода информации и управляющим компьютером. Компьютеры МВС-1000 используют микропроцессоры Alpha 21164 (разработка фирмы DEC-Compaq) с производительностью до 1-2 миллиардов операций в секунду и оперативной памятью объемом 0, 1-2 Гбайта.

Спектр научных и практических задач, решаемых на суперкомпьютере, может быть очень велик: расчет трехмерных нестационарных течений вязкосжимаемого газа, расчеты течений с локальными тепловыми неоднородностями в потоке, моделирование структурообразования и динамики молекулярных и биомолекулярных систем, решение задач линейных дифференциальных игр, расчет деформаций твердых тел с учетом процессов разрушения и многие другие. Одна из самых мощных систем линии МВС-1000, установленная в Межведомственном суперкомпьютерном центре, содержит 96 процессоров.

В России, также как и во всем мире, активно используется кластерный подход к построению суперкомпьютеров. Покупаются стандартные компьютеры и рабочие станции, которые с помощью стандартных сетевых средств объединяются в параллельную вычислительную систему. По такому пути пошел Научно-исследовательский вычислительный центр Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова (2009), создавший кластер из 12 двухпроцессорных серверов " Эксимер" на базе Intel Pentium III/500MHz (в сумме 24 процессора, более 3 Гбайт оперативной памяти, 66 Гбайт дисковой памяти). Сегодня это крупнейшая вычислительная установка в вузе России, предназначенная для поддержки фундаментальных научных исследований и образования. При минимальной стоимости вычислительный кластер НИВЦ МГУ показывает производительность 5, 7 миллиарда операций в секунду.

В России в МГУ (2009 г.) был введен в строй суперкомпьютер Ломоносов (производительность 400 тфлопс). На момент запуска он занимал в мировом рейтинге суперкомпьютеров 13-ое место.

Характеристики компьютеров меняются постоянно. Частота до 4 ^х гигагерц, винчестер 160-200 гигабайт.