Четвертое поколение (1972-1984)

 

Отсчет четвертого поколения обычно ведут с перехода на интегральные микро­схемы большой (large-scale integration, LSI) и сверхбольшой (very large-scale inte­gration, VLSI) степени интеграции. К первым относят схемы, содержащие около 1000 транзисторов на кристалле, в то время как число транзисторов на одном кри­сталле VLSI имеет порядок 100 000. При таких уровнях интеграции стало возмож­ным уместить в одну микросхему не только центральный процессор, но и вычис­лительную машину (ЦП, основную память и систему ввода/вывода).

Конец 70-х и начало 80-х годов — это время становления и последующего по­бедного шествия микропроцессоров и микроЭВМ, что, однако, не снижает важно­сти изменений, произошедших в архитектуре других типов вычислительных ма­шин и систем.

Одним из наиболее значимых событий в области архитектуры ВМ стала идея вычислительной машины с сокращенным набором команд (RISC, Redused Instruction Set Computer), выдвинутая в 1975 году и впервые реализованная в 1980 году. В упрощенном изложении суть концепция RISC заключается в сведении набора команд ВМ к наиболее употребительным простейшим командам. Это позволяет упростить схемотехнику процессора и добиться резкого сокращения времени вы­полнения каждой из «простых» команд. Более сложные команды реализуются как подпрограммы, составленные из быстрых «простых» команд.

В ВМ и ВС четвертого поколения практически уходят со сцены ЗУ на магнитных сердечниках и основная память строится из полупроводниковых запоминаю­щих устройств (ЗУ). До этого использование полупроводниковых ЗУ ограничилось лишь регистрами и кэш-памятью.

В сфере высокопроизводительных вычислений доминируют векторные вычис­лительные системы, более известные как суперЭВМ. Разрабатываются новые па­раллельные архитектуры, однако подобные работы пока еще носят эксперимен­тальный характер. На замену большим ВМ, работающим в режиме разделения времени, приходят индивидуальные микроЭВМ и рабочие станции (этим терми­ном обозначают сетевой компьютер, использующий ресурсы сервера).

В области программного обеспечения выделим появление языков программи­рования сверхвысокого уровня, таких как FP (functional programming — функцио­нальное программирование) и Пролог (Prolog, programming in logic). Эти языки ориентированы на декларативный стиль программирования, в отличие от Паска­ля, С, Фортрана и т. д. — языков императивного стиля программирования. При дек­ларативном стиле программист дает математическое описание того, что должно быть вычислено, а детали того, каким образом это должно быть сделано, возлага­ются на компилятор и операционную систему. Такие языки пока используются недостаточно широко, но выглядят многообещающими для ВС с массовым парал­лелизмом, состоящими из более чем 1000 процессоров. В компиляторах для ВС четвертого поколения начинают применяться сложные методы оптимизации кода.

Два события в области программного обеспечения связаны с Кеном Томпсо­ном (Kenneth Thompson) и Деннисом Ритчи (Dennis Ritchie) из Bell Labs. Это создание языка программирования С и его использование при написании опера­ционной системы UNIX для машины DEC PDP-11. Такая форма написания опе­рационной системы позволила быстро распространить UNIX на многие ВМ.

Пятое поколение (1984-1990)

 

Главным поводом для выделения вычислительных систем второй половины 80-х го­дов в самостоятельное поколение стало стремительное развитие ВС с сотнями процессоров, ставшее побудительным мотивом для прогресса в области параллель­ных вычислений. Ранее параллелизм вычислений выражался лишь в виде конвейе­ризации, векторной обработки и распределения работы между небольшим числом процессоров. Вычислительные системы пятого поколения обеспечивают такое рас­пределение задач по множеству процессоров, при котором каждый из процес­соров может выполнять задачу отдельного пользователя.

В рамках пятого поколения в архитектуре вычислительных систем сформиро­вались два принципиально различных подхода: архитектура с совместно исполь­зуемой памятью и архитектура с распределенной памятью.

Характерным примером первого подхода может служить система Sequent Balan­ce 8000, в которой имеется большая основная память, разделяемая 20 процессорами. Помимо этого, каждый процессор оснащен собственной кэш-памятью. Каждый из процессоров может выполнять задачу своего пользователя, но при этом в составе программного обеспечения имеется библиотека подпрограмм, позволяющая про­граммисту привлекать для решения своей задачи более одного процессора. Систе­ма широко использовалась для исследования параллельных алгоритмов и техни­ки программирования.

Второе направление развития систем пятого поколения — системы с распреде­ленной памятью, где каждый процессор обладает своим модулем памяти, а связь между процессорами обеспечивается сетью взаимосвязей. Примером такой ВС может служить система iPSC-1 фирмы Intel, более известная как «гиперкуб». Мак­симальный вариант системы включал 128 процессоров. Применение распределен­ной памяти позволило устранить ограничения в пропускной способности тракта «процессор-память», но потенциальным «узким местом» здесь становится сеть взаимосвязей.

Наконец, третье направление в архитектуре вычислительных систем пятого поколения — это ВС, в которых несколько тысяч достаточно простых процессоров работают под управлением единого устройства управления и одновременно про­изводят одну и ту же операцию, но каждый над своими данными. К этому классу можно отнести Connection Machine фирмы Thinking Machines Inc. и МР-1 фирмы MasPar Inc.

В научных вычислениях по-прежнему ведущую роль играют векторные супер­ЭВМ. Многие производители предлагают более эффективные варианты с несколь­кими векторными процессорами, но число таких процессоров обычно невелико (от 2 до 8).

RISC-архитектура выходит из стадии экспериментов и становится базовой ар­хитектурой для рабочих станций (workstations).

Знаковой приметой рассматриваемого периода стало стремительное развитие технологий глобальных и локальных компьютерных сетей. Это стимулировало изменения в технологии работы индивидуальных пользователей. В противовес мощным универсальным ВС, работающим в режиме разделения времени, пользо­ватели все более отдают предпочтение подключенным к сети индивидуальным рабочим станциям. Такой подход позволяет для решения небольших задач задей­ствовать индивидуальную машину, а при необходимости в большой вычислитель­ной мощности обратиться к ресурсам подсоединенных к той же сети мощных файл-серверов или суперЭВМ.

 

Шестое поколение (1990–)

 

На ранних стадиях эволюции вычислительных средств смена поколений ассоци­ировалась с революционными технологическими прорывами. Каждое из первых четырех поколений имело четко выраженные отличительные признаки и вполне определенные хронологические рамки. Последующее деление на поколения уже не столь очевидно и может быть понятно лишь при ретроспективном взгляде на развитие вычислительной техники. Пятое и шестое поколения в эволюции ВТ – это отражение нового качества, возникшего в результате последовательного накопления частных достижений, главным образом в архитектуре вычислительных систем и, в несколько меньшей мере, в сфере технологий.

Поводом для начала отсчета нового поколения стали значительные успехи в области параллельных вычислений, связанные с широким распространением вы­числительных систем с массовым параллелизмом. Особенности организации та­ких систем, обозначаемых аббревиатурой МРР (massively parallel processing), бу­дут рассмотрены в последующих разделах. Здесь же упрощенно определим их как совокупность большого количества (до нескольких сотен тысяч) взаимодействующих, но достаточно автономных вычислительных машин. По вычислительной мощно­сти такие системы уже успешно конкурируют с суперЭВМ, которые, как ранее от­мечалось, по своей сути являются векторными ВС. Появление вычислительных систем с массовым параллелизмом дало основание говорить о производительности, измеряемой в TFLOPS (1 TFLOPS соответствует 10¹² операциям с плавающей за­пятой в секунду).

Вторая характерная черта шестого поколения — резко возросший уровень ра­бочих станций. В процессорах новых рабочих станций успешно совмещаются RISC-архитектура, конвейеризация и параллельная обработка. Некоторые рабочие стан­ции по производительности сопоставимы с суперЭВМ четвертого поколения. Впечатляющие характеристики рабочих станций породили интерес к гетерогенным (неоднородным) вычислениям, когда программа, запущенная на одной рабочей стан­ции, может найти в локальной сети не занятые в данный момент другие станции, и использовать их свободные ресурсы для вычисления своей задачи.

Наконец, третьей приметой шестого поколения в эволюции ВТ стал взрывной рост глобальных сетей. Этот момент, однако, выходит за рамки данной книги, по­этому далее комментироваться не будет.

Завершая обсуждение эволюции ВТ, отметим, что верхняя граница шестого поколения хронологически пока не определена и дальнейшее развитие вычисли­тельной техники может внести в его характеристику новые коррективы. Не ис­ключено также, что последующие события дадут повод говорить и об очередном поколении.

Рассматривая эволюцию вычислительных машин, можно видеть, что, как и в эволюции биологических организмов, в итоге побеждали наиболее эффективные и удобные для применения в реальных задачах решения. Вычислительные машины прошли длительный путь, с каждым шагом становясь всё ближе к пользователю, превращаясь из объекта исследования в надёжный инструмент. По всей видимости, дальнейшее движение также продолжится в сторону сближения с простым пользователем, не обладающим специальными знаниями, но имеющем потребности в решении самого широкого круга задач.