Поколения ЭВМ этапы компьютерной революции
Переход к компьютерам пятого поколения предполагал переход к новым архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта
ЭВМ пятого поколения должны соответствовать целям, которые невозможно достичь с помощью современных машин и которые в конечном итоге будут служить разрешению прогнозируемых социальных противоречий девяностых годов. Эти цели могут быть представлены четырьмя обобщенными группами.
- Повышение уровня интеллекта компьютеров, а также средств их взаимодействия с человеком
- Развитие аналогов возможностей человека, а также средств содействия человеку в разработке неизученных
- Обеспечение средств ведения и пользования различными формами представления информации
- Получение новых представлений путем моделирования непознанных ситуаций
С точки зрения пользователя ЭВМ пятого поколения должны соответствовать следующим пяти принципам:
- Простота пользования функциональными возможностями (от пользователя не требуется профессиональная подготовка)
- Моделирование «человеческих» функциональных возможностей, таких, как построение доказательств и принятие
- Гибкость конфигурации, обеспечивающая приспосабливаемость ЭВМ к условиям выполнения широкого диапазона работ
- Наличие функций, облегчающих программирование
- Принципы, определяющие эффективность и надежность вычислительных систем
Основные требования к компьютерам 5-го поколения:
- Создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов);
- Развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта;
- Создание новых технологий в производстве вычислительной техники; Создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов.
ЭВМ пятого поколения [fifth-generation computer]- характеризуются наряду с использованием более мощных СБИС применением принципа “управления потоками данных” (в отличие от принципа Джона фон Неймана “управления потоками команд”), новыми решениями в архитектуре вычислительной системы и использованием принципов искусственного интеллекта.
С ЭВМ пятого поколения связывают наряду с другими особенностями возможность ввода данных и команд голосом. Начало разработки ЭВМ этого поколения можно отнести ко второй половине 1980-х гг.; внедрение первых образцов — первая половина 1990-х гг.
К классу суперкомпьютеров относят компьютеры, которые имеют максимальную на время их выпуска производительность, или так называемые компьютеры 5-го поколения.
Первой разработкой в этой области стала MMX (MultiMedia eXtension- «мультимедиа–расширение») — технология, которая может превратить «простой» Pentium ПК в мощную мультимедийную систему. Как известно, на кристалле процессора Pentium интегрирован математический сопроцессор. Этот функциональный блок, который отвечает за «перемалывание чисел», но на практике, подобные возможности требуются все же достаточно редко, их используют в основном системы САПР и некоторые программы, решающие чисто вычислительные задачи. У большинства пользователей этот блок просто простаивает. Создавая технологию MMX, фирма Intel стремилась решить две задачи: во-первых, задействовать неиспользуемые возможности, а во-вторых, увеличить производительность ЦП при выполнении типичных мультимедиа-программ.
С этой целью в систему команд процессора были добавлены дополнительные инструкции (всего их 57) и дополнительные типы данных, а регистры блока вычислений с плавающей запятой выполняют функции рабочих регистров. Дополнительные машинные команды предназначены для таких операций, как быстрое преобразование Фурье (функция, используемая при декодировании видео), которые зачастую выполняются специальными аппаратными средствами. Процессоры, использующие технологию MMX, совместимы с большинством прикладных программ, ведь для «старого» программного обеспечения регистры MMX выглядят точно так же, как обычные регистры математического сопроцессора. Однако, встречаются и исключения. например, прикладная программа может одновременно обращаться только к одному блоку — либо вычислений с плавающей запятой, либо MMX. В ином случае результат, как правило, не определен и нередко происходит аварийное завершение прикладной программы. Технология MMX — это генеральное направление развития архитектуры процессоров. В первую очередь ее преимущества смогут оценить конечные пользователи — мультимедиа-компьютеры стали заметно мощнее и дешевле. Эта идея оказалась настолько удачной, что за ММХ проследовал «расширенный ММХ», 3DNow!, «расширенный 3DNow!», а потом SSE и сейчас SSE2. Кроме технологических решений по увеличению количества инструкций, велась работа и по улучшению процесса производства. Ведь транзисторов для обработки информации становилось все больше и больше, и они в конце концов просто не помещались на кристалл, что приводило к более совершенным решениям. В настоящее время процессоры Intel выпускаются по техпроцессу с нормой в 0,13 мКм, и на одном квадратном миллиметре кристалла располагается миллионы транзисторов. Intel планирует перейти на 0,09 мКм техпроцесс в ближайшем будущем. Intel Itanium Последним уже завершенным процессором Intel является процессов IntelItanium (IA-64). По мнению представителей Intel, архитектура процессора Itanium — это самая значительная разработка со времени презентации 386-го процессора в 1985 г. Первые образцы 64-разрядного процессора Intel представляют собой картридж размером примерно 10х6 см, который включает в себя кэш-память третьего уровня емкостью 2 либо 4 Мбайт и радиатор. Картридж монтируется в разъем типа Slot и имеет 418 выводов. Процессор имеет трехуровневую иерархию сверхоперативной памяти. Если кэш-память первого и второго уровней интегрирован прямо на кристалле процессора, то микросхемы кэш-памяти третьего уровня расположены на самой плате картриджа. На реализацию процессора с соблюдением проектных норм 0,13 мКм потребовалось около 320 млн. транзисторов, из которых только 25 млн. пришлось на реализацию самого ядра, а остальные — на кэш-память. Самый большой модуль процессора — это блок вычислений с плавающей запятой, он занимает около 10% площади кристалла. Производительность Itanium составляет до 6,4 млрд. операций с плавающей запятой в секунду. Благодаря архитектуре EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) и 15 исполнительным устройствам процессор может выполнять до 20 операций одновременно. При этом он может непосредственно адресовать до 16 Тбайт (240) памяти при пропускной способности до 2,1 Гбайт/с. В процессоре реализована поддержка всех расширений Intel (технологии MMX, eMMX, SSE, и симметричной мультипроцессорной обработки), за исключением SSE2. Intel рассматривает Itanium в качестве родоначальника нового семейства процессоров, которое будет развиваться в ближайшие 25 лет. За первой моделью с кодовым названием Merced последуют McKinley, Madison, Deerfield и другие новые версии. По официальным данным, шесть моделей подобных кристаллов уже находятся на стадии разработки.
Первые суперкомпьютеры появились уже среди компьютеров второго поколения (1955 — 1964, см. компьютеры второго поколения), они были предназначены для решения сложных задач, требовавших высокой скорости вычислений.
Это LARC фирмы UNIVAC, Stretch фирмы IBM и «CDC-6600″ (семейство CYBER) фирмы Control Data Corporation, в них были применены методы параллельной обработки (увеличивающие число операций, выполняемых в единицу времени), конвейеризация команд (когда во время выполнения одной команды вторая считывается из памяти и готовится к выполнению) и параллельная обработка при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределяет задачи и управляет потоком данных в системе.
Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами — векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном — выдаёт сразу векторные команды.
Компьютеры фирмы Cray Research стали классикой в области векторно-конвейерных суперкомпьютеров. Существует легенда, что первый суперкомпьютер Cray был собран в гараже, однако этот гараж был размером 20 х 20 метров, а платы для нового компьютера заказывались на лучших заводах США.
Компьютер Cray-1, работа над которым была закончена в 1976 году относится к классу первых сверхвысокопроизводительных векторных компьютеров. К этому классу относятся также машины Иллиак-IV, STAR-100, ASC. Производительность Cray-1 составляла 166 Мфлоп/сек. Компьютер был собран на интегральных схемах. Выполнял 128 инструкций.
В состав структуры компьютера Cray-1 входили:
- Основная память, объемом до 1048576 слов, разделенная на 16 независимых блоков, емкостью 64К слов каждый;
- Регистровая память, состоящая из пяти групп быстрых регистров, предназначенных для хранения и преобразования адресов, для хранения и обработки векторных величин;
- Функциональные модули, в состав которых входят 12 параллельно работающих устройств, служащих для выполнения арифметических и логических операций над адресами, скалярными и векторными величинами.
- Двенадцать функциональных устройств машины Cray-1, играющие роль арифметико-логических преобразователей, не имеют непосредственной связи с основной памятью. Так же как и в машинах семейства CDC-6000, они имеют доступ только к быстрым операционным регистрам, из которых выбираются операнды и в которые записываются результаты выполнения операций;
- Устройство, выполняющее функции управления параллельной работой модулей, блоков и устройств центрального процессора;
- 24 канала ввода-вывода, организованные в 6 групп с максимальной пропускной способностью 500000 слов в секунду (2 млн. байт в сек.);
- Три группы операционных регистров, непосредственно связанных с арифметико-логическими устройствами, называются основными. К ним относятся восемь А-регистров, состоящих из 24 разрядов каждый. А-регистры связаны с двумя функциональными модулями, выполняющими сложение (вычитание) и умножение целых чисел. Эти операции используются главным образом для преобразования адресов, их базирования и индексирования. Они также используются для организации счетчиков циклов. В ряде случаев А-регистры используются для выполнения арифметических операций над целыми числами.
До середины 80-х годов в списке крупнейших производителей суперкомпьютеров в мире были фирмы Sperry Univac и Burroughs. Первая известна, в частности, своими мэйнфреймами UNIVAC-1108 и UNIVAC-1110, которые широко использовались в университетах и государственных организациях.
В мире суперкомпьютеров известна и компания Intel. Многопроцессорные компьютеры Paragon фирмы Intel в семействе многопроцессорных структур с распределенной памятью стали такой же классикой, как компьютеры фирмы Cray Research в области векторно-конвейерных суперкомпьютеров.