Покоління комп'ютерів

План

1.Поняття про ЕОМ

2. Покоління комп'ютерів

Поняття про ЕОМ

Електронна обчислювальна машина (скорочено — ЕОМ) — загальна назва для обчислювальних машин, що є електронними (починаючи з перших лампових машин, включаючи напівпровідникові тощо) на відміну від електромеханічних (на електричних реле тощо) та механічних обчислювальних машин. В часи широкого розповсюдження аналогових обчислювальних машин, що теж були в своїй переважній більшості електронними, для уникнення непорозумінь використовувалася назва «цифрова електронна обчислювальна машина» (ЦЕОМ) або «лічильна» (рос. счётная) машина (задля підкреслення того, що цифрова електронна машина саме реалізує безпосередньо обчислення результату, в той час, як аналогова машина, фактично, реалізує процес фізичного моделювання з отриманням результату вимірюванням).

Унікальний винахід XX століття — електронну обчислювальну машину останнім часом найчастіше називають за англійською манерою — комп'ютер (computer), що в перекладі дає теж саме значення: обчислювач.

Досвід широкого практичного застосування ЕОМ досить швидко указав на несподівані і непередбачені можливості. З'ясувалося, що подібно числам можна ефективно перетворювати будь-яку іншу інформацію.

Покоління комп'ютерів

Перше покоління комп'ютерів

Фізик Джон В. Атанасов разом з Кліффордом Беррі (Clifford Berry) з 1937 по 1942 рік працювали в університеті штату Айова над створенням першої цифрової електронно-обчислювальної машини. Комп'ютер Атанасова-Беррі (названий згодом ABC — Atanasoff-Berry Computer) став першою системою, в якій були використані сучасні цифрові комутаційні технології і вакуумні лампи, а також концепції двійкової арифметики і логічних схем. Після довгого судового розгляду федеральний суддя США Ерл Р. Ларсон (Earl R. Larson) анулював 19 жовтня 1973 року патент, раніше виданий Екерту (Eckert) і Мочлі (Mauchly), офіційно визнавши Атанасова за винахідника першого електронного цифрового комп'ютера.

Використання обчислювальної техніки під час другої світової війни послужило серйозним поштовхом для розвитку комп'ютерів. У 1943 році англієць Алан Тюрінг завершив роботу над створенням військового комп'ютера "Колос", використовуваного для розшифровки перехоплених німецьких повідомлень. На жаль, робота Тюрінга не була оцінена по гідності, оскільки таємниці в конструкції "Колоса" протягом ще багатьох років після закінчення війни зберігалися.

Крім розшифровки ворожих кодів, поступово виникла потреба у виконанні балістичних розрахунків і розв’язку інших військових задач. У 1946 році, Джон П. Екерт (John P. Eckert) і Джон В. Мочлі (John W. Mauchly) разом із співробітниками школи електротехніки Мура університету штату Пенсільванія створили першу комплексну електронно-обчислювальну машину для військових цілей. Ця система одержала назву ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator). Вона працювала з десятизначними числами і виконувала операції множення з швидкістю близько 300 множень в секунду, знаходячи значення кожного множення в таблиці множення, що зберігається в оперативній пам'яті. Продуктивність цієї системи була приблизно в 1 000 разів вище, ніж у електромеханічних релейних обчислювальних машин попереднього покоління.

У комп'ютері ENIAC використовувалося близько 18 тис. вакуумних ламп, він займав корисну площу, рівну приблизно 167 квадратним метрам і споживав приблизно 180 тис. ват. Для введення і виводу даних використовувалися перфораційні карти, регістри виконували роль суматорів, а також надавали доступ читання/запису до збережених даних.

Виконувані команди, що становлять ту або іншу програму, створювалися за допомогою певної монтажної схеми і перемикачів, які управляли ходом обчислень. По суті, для кожної виконуваної програми доводилося змінювати монтажну схему і розташування перемикачів.

Патент на електронно-обчислювальну машину був спочатку виданий Екерту і Мочлі. Але згодом, як ви вже знаєте, цей патент був анульований і наданий Джону Атанасову, що створив комп'ютер Атанасова-Беррі (ABC).

Дещо раніше, в 1945 році, математик Джон фон Нейман (John von Neumann) довів, що комп'ютер є цілісною фізичною структурою і може ефективно виконувати будь-які обчислення за допомогою відповідного програмного управління без зміни апаратної частини. Іншими словами, програми можна змінювати, не міняючи апаратного забезпечення. Цей принцип став основним і загальноприйнятим правилом для майбутніх поколінь швидкодійних цифрових комп'ютерів.

Перше покоління сучасних програмованих електронно-обчислювальних машин, що використовують описані нововведення, з'явилися в 1947 році. До їх числа увійшли комерційні комп'ютери EDVAC і UNIVAC, в яких вперше використовувався оперативний запам’ятовуючий пристрій (ОЗП), призначений для зберігання даних і модулів програми. Як правило, програмування виконувалося безпосередньо на машинній мові, не дивлячись на те що до середини 50-х років в цій області науки був зроблений великий крок вперед. Символом нової комп'ютерної ери став UNIVAC (Universal Automatic Computer) — перший по-справжньому універсальний буквено-цифровий комп'ютер. Він застосовувався не тільки в наукових або військових, але і в комерційних цілях.

Після появи UNIVAC темпи еволюції комп'ютерів помітно швидшали. У першому поколінні комп'ютерів використовувалися вакуумні лампи, на зміну яким прийшли менші за розмірами і ефективніші транзистори.

Такі комп'ютери, як ЕНІАК, ЕДСАК, ШЕОМ та ЮНІВАК, являли собою лише перші моделі ЕОМ. Упродовж десятиріччя після створення ЮНІВАКа було виготовлено та введено в експлуатацію в США близько 5000 комп'ютерів. Гігантські машини на електронних лампах 50-х років склали перше покоління комп'ютерів.

Друге покоління комп'ютерів

Сучасний комп'ютер є набором електронних перемикачів, які використовуються як для представлення інформації в двійковому коді (у вигляді двійкових одиниць — бітів), так і для управління її обробкою. Ці електронні перемикачі можуть знаходитися в двох станах — включено і вимкнено, що дозволяє використовувати їх для зберігання двійкової інформації.

У перших комп'ютерах використовувалися так звані тріоди — вакуумні лампи, винайдені Лі Де Форестом (Lee De Forest) в 1906 році. Тріод складається з трьох основних елементів, розташованих в скляній вакуумній лампі: катода, анода і розділяючої їх сітки. При нагріванні катода зовнішнє джерело живлення випускає електрони, які збираються на аноді. Сітка, розташована у середині лампи, дозволяє управляти потоком електронів. Коли на сітку подається струм негативного потенціалу, електрони відштовхуються від сітки і притягуються катодом; при подачі струму позитивного потенціалу, електрони проходять через сітку і уловлюються анодом. Таким чином, змінюючи значення потенціалу сітки, можна моделювати стан анода включено/выключено.

На жаль, вакуумна лампа як перемикач виявилася малоефективною. Вона споживала багато електроенергії і виділяла велику кількість тепла — вельми істотна проблема для обчислювальних систем того часу. Вакуумні лампи виявилися ненадійними, головним чином через постійний перегрів: у великих системах лампи доводилося міняти кожні дві години або навіть частіше.

Винахід транзистора (або напівпровідника) став однією з найбільш революційних подій епохи персональних комп'ютерів. У 1947 році інженери Bell Laboratory Джон Бардін (John Bardeen) і Уолтер Браттейн (Walter Brattain) винайшли транзистор, який був представлений широкій громадськості в 1948 році. Декілька місяців опісля Уїльям Шоклі (William Shockley), один із співробітників компанії Bell, розробив модель перехідного транзистора. У 1956 році ці учені були удостоєні Нобелівської премії у області фізики. Транзистор, який, по суті, є твердотільним електронним перемикачем, замінив громіздку і незручну вакуумну лампу. Оскільки споживана транзисторами потужність незначна, побудовані на їх основі комп'ютери мали набагато менші розміри і відрізнялися вищою швидкодією і ефективністю.

Транзистори складаються в основному з кремнію і германію, а також добавок певного складу. Провідність матеріалу залежить від складу введених домішок і може бути негативною, тобто N-типу, або позитивної, Р-типу. Матеріал обох типів є провідником, що дозволяє електричному струму вибирати будь-який напрям. Проте при з'єднанні матеріалів різних типів виникає бар'єр, внаслідок чого електричний струм певної полярності тече тільки в одному напрямі. Саме тому такий матеріал називається напівпровідником.

Для створення транзистора матеріали Р- і N-типа слід розмістити "спиною один до одного", тобто помістити пластину одного типу між двома пластинами іншого типу. Якщо матеріал середньої пластини володіє провідністю Р-типу, то транзистор буде позначений як NPN, а якщо N-типу — то як PNP.

У транзисторі NPN одна з пластин N-типу, на яку звичайно подається струм негативного потенціалу, називається емітером. Середня пластина, виконана з матеріалу Р-типу, називається базою. Друга пластина напівпровідника N-типу називається колектором.

Транзистор NPN по своїй структурі схожий на тріодну електронну лампу: емітер є еквівалентом катода, база еквівалентна управляючій сітці, а колектор подібний аноду. Змінюючи потенціал електричного струму, що проходить через базу, можна управляти потоком електронів, що проходить між емітером і колектором.

В порівнянні з електронною лампою транзистор як перемикач володіє набагато більшою ефективністю, маючи при цьому воістину мікроскопічні розміри. Наприклад, останні моделі мікропроцесорів Pentium П і Ш полягають більш ніж з 27 млн. транзисторів!

Перехід з вакуумних електронних ламп на транзистори поклав початок процесу мініатюризації, який продовжується і до цього дня. Сучасні моделі портативних або кишенькових комп'ютерів, що працюють на акумуляторах, мають вищу продуктивність, ніж системи, що займали колись цілі кімнати і споживаючі величезну кількість електроенергії.

Друге покоління комп'ютерів з'явилося на початку 60-х років, коли на зміну електронним лампам прийшли транзистори. Винайдені 1948 р. транзистори, як виявилось, були спроможні виконувати всі ті функції, які до цього часу виконували електронні лампи. Але при цьому вони були значно менші за розмірами та споживали набагато менше електроенергії. До того ж транзистори дешевші, випромінюють менше тепла та більш надійні, ніж електронні лампи. І все ж таки найдивовижнішою властивістю транзистора є те, що він один здатен виконувати функції 40 електронних ламп та ще й з більшою швидкістю, ніж вони.

В результаті швидкодія машин другого покоління виросла приблизно в 10 разів порівняно з машинами першого покоління, обсяг їх пам'яті також збільшився. Водночас із процесом заміни електронних ламп транзисторами вдосконалювалися методи зберігання інформації. Магнітну стрічку, що вперше було використано в ЕОМ ЮНІВАК, почали використовувати як для введення, так і для виведення інформації. А в середині 60-х років набуло поширення зберігання інформації на дисках.

Третє покоління комп'ютерів

У 1959 році співробітники компанії Texas Instruments винайшли інтегральну схему— напівпровідниковий пристрій, в якому без дротів з'єднується декілька розташованих на одному кристалі транзисторів. У першій інтегральній схемі їх було всього шість. Для порівняння помітимо, що мікропроцесор Pentium Pro складається з 5,5 млн. транзисторів, а інтегрована кеш-пам'ять, вбудована в одну з мікросхем, містить ще 32 млн. транзисторів. Сьогодні в багатьох інтегральних схемах використовується декілька мільйонів транзисторів.

У 1998 році компанія Intel відсвяткувала своє тридцятиліття. Вона була заснована 18 липня 1968 року Робертом Нойсом (Robert Noyce), Гордоном Муром (Gordon Moore) і Ендрю Гроувом (Andrew Grove). Учені поставили цілком певну мету: створити практичну і доступну напівпровідникову пам'ять. Нічого подібного раніше не створювалося, враховуючи той факт, що запам'ятовуючий пристрій на кремнієвих мікросхемах коштував принаймні в 100 разів дорожче звичної для того часу пам'яті на магнітних сердечниках. Вартість напівпровідникової пам'яті досягала одного долара за біт, тоді як запам'ятовуючий пристрій на магнітних сердечниках коштував всього лише біля цента за біт. Ось що сказав Роберт Нойс: "Нам було необхідно зробити лише одне — зменшити вартість в сто разів і тим самим завоювати ринок. Саме цим ми в основному і займалися".

У 1970 році Intel випустила мікросхему пам'яті місткістю 1 Кбіт, набагато перевищивши місткість існуючих у той час мікросхем. (1 Кбіт рівний 1024 бітам, один байт складається з 8 бітів, тобто ця мікросхема могла зберігати всього 128 байт інформації, що за сучасними мірками нікчемно мало.) Створена мікросхема, відома як динамічний оперативний запам'ятовуючий пристрій 1103 (DRAM), стала до кінця наступного року продаваємим напівпровідниковим пристроєм в світі. До цього часу Intel виросла з жменьки ентузіастів в компанію, що полягає більш ніж з 100 службовців.

Поява інтегрованих схем започаткувала новий етап розвитку обчислювальної техніки — народження машин третього покоління. Інтегрована схема, яку також називають кристалом, являє собою мініатюрну електронну схему, витравлену на поверхні кремнієвого кристала площею приблизно 10 мм2.

Перші інтегровані схеми (ІС) з'явилися 1964 року. Поява інтегрованих схем означала справжню революцію в обчислювальній техніці. Одна така схема здатна замінити тисячі транзисторів, кожний 3 яких у свою чергу уже замінив 40 електронних ламп. Інакше кажучи, один крихітний, але складний кристал має такі ж самі обчислювальні можливості, як і 30-тонний ЕНІАК! Швидкодія ЕОМ третього покоління збільшилася приблизно в 100 разів порівняно з машинами другого покоління, а розміри набагато зменшилися.

Четверте покоління комп'ютерів

Японська компанія Busicom звернулася до Intel з проханням розробити набір мікросхем для сімейства високоефективних програмованих калькуляторів. У той далекий час логічні мікросхеми розроблялися безпосередньо для певної задачі або програми. Велика частина мікросхем, що входять в це замовлення, була призначена для виконання строго певного кола задач, тому жодна з них не могла набути широкого поширення.

Первинна конструкція калькулятора компанії Busicom передбачала принаймні 12 мікросхем різних типів. Інженер компанії Intel Тед Хофф (Ted Hoff) відхилював дану концепцію і натомість розробив однокристальний логічний пристрій, одержуючий команди програми з напівпровідникової пам'яті. Цей центральний процесор знаходився під управлінням програми, яка дозволяла адаптувати функції мікросхеми для виконання поступаючих задач. Мікросхема була універсальною за своєю природою, тобто її застосування не обмежувалося калькулятором. Логічні ж модулі інших конструкцій мали тільки одне призначення і строго певний набір вбудованих команд. Нова мікросхема могла прочитувати з пам'яті набір команд, які і використовувалися для управління її функціями. Тед Хофф прагнув розробити обчислювальний пристрій, розміщений в одній мікросхемі і виконуючий самі різні функції залежно від одержуваних команд.

З цією мікросхемою була пов'язана одна проблема: всі права на неї належали виключно компанії Busicom. Тед Хофф і інші розробники розуміли, що дана конструкція має практично необмежене застосування, дозволяючи перетворити "нісенітні" машини в справжні інтелектуальні системи. Вони настояли на тому, щоб Intel викупила права на створену мікросхему. Засновники Intel Гордон Мур і Роберт Нойс всіляко підтримували створення нової мікросхеми, тоді як інші співробітники компанії були стурбовані тим, що це завдасть удару по основному бізнесу Intel — продажу оперативної пам'яті. Кожен мікрокомп'ютер Intel, що складається з чотирьох мікросхем, містив в ті часи по два модулі пам'яті. Ось що сказав колишній комерційний директор Intel: "Спочатку я відносився до цієї архітектури, як до способу вигідної реалізації великої кількості мікросхем пам'яті, і саме в цей напрям ми збиралися вкладати додаткові засоби".

Компанія Intel запропонувала Busicom повернути віддані нею за ліцензію 60 тис. доларів в обмін на право розпоряджатися розробленою мікросхемою. Японська фірма, що знаходилася у важкому фінансовому положенні, згодилася. В цей час ніхто з виробників, рівно як і сама Intel, не змогли повною мірою оцінити важливість цієї події. Як виявилося згодом, саме ця операція визначила майбутнє Intel. У 1971 році з'явився перший 4-розрядний мікрокомп'ютерний набір 4004 (термін мікропроцесор з'явився значно пізніше). Мікросхема розміром з ніготь великого пальця містила 2 300 транзисторів, коштувала 200 доларів і по своїх параметрах була співставна з першою електронно-обчислювальною машиною ENIAC. Як вже наголошувалося, в системі ENIAC, створеній в 1946 році, було близько 18 тис. вакуумних електронних ламп; вона займала 3 000 кубічних футів (85 кубічних метрів). Мікропроцесор 4004 виконував 60 тис. операцій в секунду, що було на той час неймовірним досягненням.

У 1972 році був випущений наступник 4004— 8-розрядний мікропроцесор 8008. А в 1981 році сімейство процесорів Intel поповнилося новою 16-розрядною моделлю 8086 і 8-розрядної 8088. Ці процесори одержали протягом всього лише одного року близько 2 500 нагород за технологічні новини і досягнення у сфері обчислювальних систем. До числа призерів увійшла і одна з розробок компанії IBM, що стала згодом першим персональним комп'ютером.

У 1982 році Intel представила мікропроцесор 286, що містить 134 тис. транзисторів. По ефективності він перевершував інші 16-розрядні процесори того часу приблизно в три рази. Завдяки концепції внутрішньокристальної пам'яті 286 став першим мікропроцесором, сумісним з своїми попередниками. Цей якісно новий мікропроцесор був потім використаний в епохальному комп'ютері PC-AT компанії IBM.

У 1985 році з'явився 32-розрядний процесор Intel 386. Він містив 275 тис. транзисторів і виконував більше 5 млн. операцій в секунду (Million Instruction Per Second — MIPS). Комп'ютер DESKPRO 386 компанії Compaq був першим персональним комп'ютером, створеним на базі нового мікропроцесора.

Наступним з сімейства Intel став процесор 486, що з'явився в 1989 році. Він містив вже 1,2 млн. транзисторів і перший вбудований співпроцесор. Він працював в 50 разів швидше за процесор 4004, і його продуктивність була еквівалентна продуктивності могутніх мейнфреймів.

У 1993 році Intel представила перший процесор Pentium, продуктивність якого виросла в п'ять разів в порівнянні з сімейством Intel 486. Pentium містив 3,1 млн. транзисторів і виконував до 90 млн. операцій в секунду, що приблизно в 1 500 разів перевищувало швидкодію процесора 4004.

Процесор сімейства Р6, званий Pentium Pro, з'явився на світ в 1995 році. Він містив 5,5 млн. транзисторів і був першим процесором, кеш-пам'ять другого рівня якого була розміщена прямо на кристалі, що дозволяло значно підвищити швидкодію. Навіть у наш час процесор Pentium Pro, що виконує до 300 млн. команд в секунду, все ще використовується для багатопроцесорних серверів і високоефективних робочих станцій.

Компанія Intel переглянула архітектуру Р6 (Pentium Pro) і в травні 1997 року представила процесор Pentium II. Він містить 7,5 млн. транзисторів, упаковані, на відміну від традиційного процесора, в картрідж, що дозволило розмістити кеш-пам'ять L2 безпосередньо в модулі процесора. У квітні 1998 року сімейство Pentium II поповнилося дешевим процесором Celeron, використовуваним в домашніх ПК, і професійним процесором Pentium II Хеоп, призначеним для серверів і робочих станцій. У 1999 році Intel випустила процесор Pentium III, який був, по суті, Pentium II, що містить інструкції SSE (Streaming SIMD Extensions).

Тоді як процесор Pentium стрімко займав домінуюче положення на ринку, компанія AMD придбала компанію NexGen, що працювала над процесором Nx686. Результатом злиття компаній з'явився процесор AMD К6. Цей процесор як в апаратному, так і програмному відношенні був сумісний з процесором Pentium, тобто встановлювався в гніздо Socket 7 і виконував ті ж програми. Компанія AMD продовжила розробку швидших версій процесора К6 і завоювала значну частину ринку ПК середнього класу.

У 1999 році AMD представила процесор Athlon, який склав гідну конкуренцію процесорам Intel на ринку професійних комп'ютерів.

Наступний, 2000-й рік ознаменувався появою на ринку нових розробок цих компаній. Так, наприклад, AMD вперше представила процесори Athlon Thunderbird і Duron. Процесор Duron, розроблений для дешевших систем, по суті, ідентичний процесору Athlon і відрізняється від нього тільки меншим об'ємом кеш-пам'яті другого рівня; Thunderbird, у свою чергу, використовує інтегровану кеш-пам'ять, що дозволяє значно підвищити його швидкодію.

Компанія Intel в 2000 році представила Pentium IV, новітній процесор з сімейства IA-32. Компанія також анонсувала процесор Itanium (кодове ім'я Merced), який став першим представником 64-розрядних процесорів Intel (LA-64). Завдяки цьому процесору в недалекому майбутньому з'являться абсолютно нові операційні системи і програмиІ, які, проте, будуть сумісні з 32-розрядним програмним забезпеченням.

У 2000 році відбулася ще одна знаменна подія, що має історичне значення: компанії Intel і AMD перетнули бар'єр в 1 ГГц, який до того часу багато чим здавався непереборним.

Четверте покоління — ЕОМ на великих інтегрованих схемах. Розвиток мікроелектроніки дав змогу розміщати на одному кристалі тисячі інтегрованих схем. Так, 1980 р. центральний процесор невеликої ЕОМ вдалося розташувати на кристалі площею 1,6 см2.

Почалася епоха мікрокомп'ютерів. Швидкодія сучасної ЕОМ в десятки разів перевищує швидкодію ЕОМ третього покоління на інтегральних схемах, в 100 разів — швидкодію ЕОМ другого покоління на транзисторах та в 10 000 разів швидкодію ЕОМ першого покоління на електронних лампах.

П’яте покоління комп'ютерів

Нині створюються та розвиваються ЕОМ п'ятого покоління — ЕОМ на надвеликих інтегрованих схемах. Ці ЕОМ використовують нові рішення у архітектурі комп'ютерної системи та принципи штучного інтелекту.