Развитие ЭВМ. Опыты и исследования, которые диктовали прогресс

Изобретение и массовое производство компьютеров (ЭВМ) — выдающееся достижение науки и техники XX в. Автоматизация обработки данных на основе программного управления, значительная скорость вычисления различных операций, хранение больших объемов информации, универсальность применения — все это сделало ЭВМ мощным средством ускорения научно-технического прогресса.

Выделяются четыре наиболее характерных направления развития ЭВМ.

  • Развитие элементной базы (СБИС).
  • Разработка новой архитектуры.
  • Совершенствование программной технологии.
  • Интеллектуализация.

Долгое время кремниевая технология сохранялась как основа вычислительной техники, несмотря на то, что ряд фирм опробовали устройства, базирующиеся на переходах Джозефсона, и экспериментировала с подложками, выполненными на базе новых материалов. Исследования в области технологий производства элементной базы были сосредоточены на двух направлениях: усовершенствовании кремниевой технологии и экспериментировании с новыми элементами и соединениями.

Большое значение имели исследования в области разработки трехмерных микросхем. Проводились работы по выращиванию кремниевых слоев в многослойных структурах, с тем чтобы одна микросхема могла выполнить функции измерения, вычисления, управления и запоминания информации.

Важным направлением развития схемотехники элементной базы являлась разработка микросхем с программируемой архитектурой, позволяющих создавать различные варианты процессоров и использовать готовые программы. Одно из архитектурных решений заключалось в создании микросистем с гибкой архитектурой, что позволило бы перестраивать архитектуру в зависимости от класса решаемых задач.

Другое архитектурное решение предполагало использование систолической матричной обработки информации с распараллеливанием и конвейеризацией. Систолические процессоры выполняют функции согласования режимов работы отдельных процессоров с частными шагами алгоритма. При этом структура систолических процессоров довольно просто выполняется на базе СБИС.

При производстве СБИС первоочередное внимание уделялось разработке соответствующих алгоритмов, то есть тому, какие функции следует выполнять на СБИС и как они могут быть осуществлены. При этом широко применялись методы автоматизированного проектирования, использующие большие вычислительные мощности. Функции проектировщика, выполняемые при разработке СБИС, содержащих более миллиона транзисторов, весьма сложны. Они предполагают составление описаний многих используемых при проектировании параметров интегральных схем, топологий, временных диаграмм и т. д.

Архитектура и принципы построения ЭВМ вплоть до 70-х годов изменялись мало. Разработчики придерживались при проектировании машин фон-неймановской архитектуры с последовательной схемой выполнения команд. Теперь же в большинстве случаев такая схема обработки информации вызывает значительные трудности. Совсем недавно, пару лет назад, программисты из Италии и Штатов создали прототип мем-процессора с архитектурой кардинально отличающейся от фон-неймановской; она дает возможность решать NP-полные задачи.


Принцип же построения новых архитектур состоял в создании таких ЭВМ, которые способны обрабатывать одновременно большое количество данных. Именно это и предопределило создание ЭВМ и систем с новой архитектурой, в частности с векторной и параллельной обработкой информации.

Конец XX века ознаменовал новую эру в развитии ЭВМ. Созданные тогда вычислительные машины можно подразделить на две группы. Машины первой группы были ориентированы на векторную (конвейерную) обработку данных, машины второй группы почти полностью основаны на параллельной обработке.

Эта классификация в значительной степени условна, поскольку при проектировании вычислительных машин в архитектуре некоторых их типов (особенно специализированных) использовались одновременно векторные и параллельные методы обработки информации.
Создавались также специализированные процессоры с векторной и параллельной обработкой информации, которые использовались в больших и малых ЭВМ. Преимущества векторной и параллельной обработки данных, с точки зрения повышения быстродействия, можно использовать в тех случаях, когда выполняется последовательность независимых одинаковых арифметических операций.

Для многих областей применения создание параллельных вычислительных машин (ПВС) являлось основой для быстрого наращивания производительности. Как показал опыт, совершенствование технологии позволяет в среднем за четыре года удвоить производительность ЭВМ, но этого оказалось недостаточно. Новые параллельные алгоритмы для решения типовых задач имели сложную структуру связей. Повысить производительность стало возможным только при увеличении числа процессоров.

Проблемы создания ЭВМ перспективных поколений предполагали необходимость разработки новых машинных языков, новых операционных систем, нового прикладного программного обеспечения и т. д. Принципы проектирования аппаратной части ЭВМ требовали создания сложного системного программного обеспечения. При этом особое внимание уделялось разработке оптимизирующих трансляторов с широкими возможностями векторизации.

Читайте также: