Электронные вычислительные машины

Новую информационную технологию справедливо связывают с поистине ошеломляющими успехами в развитии электроники и вы­числительной техники. Действительно, эти успехи значительно превосходят и опережают самые оптимистические прогнозы прош­лых лет. Именно они позволили существенно продвинуться в ав­томатиза­ции интеллектуальных процессов. Однако было бы не­верно отождествлять развитие информационной технологии толь­ко с прогрессом электроники.

Теоретически устройства для пе­реработки информации могут быть реализованы и с применением иных принципов. С другой стороны, далеко не все тенденции развития электронных вычислительных машин совпадают с теми потребностями информационной технологии, о которых мы ведем речь. Дальнейшее уменьшение габаритов компьютеров, увеличе­ние их быстродействия и объемов оперативной памяти вызывает­ся иными сферами их применения, связанными, в частности, с необходимостью управления быстродвижущимися объектами.

Наше внимание, напротив, привлекают далеко еще не освоен­ные возможности компьютеров в работе с текстами на естественных языках, в переработке данных с целью получения информации и знаний. Поэтому, отдав необходимую дань тому явлению, которое чаще всего называют компьютерной (или, точнее, микропроцессор­ной) революцией, и определив свое отношение к перспективам развития вычислительных машин, мы сосредоточимся на феноменах "персональных вычислений" и обработки "деловой прозы". Они тесно связаны с широким развитием персональных компьютеров, автоматизированных рабочих мест на их основе, спецификой их программного обеспечения и обработки текстов, в особенности их электронного редактирования.

Быстрое развитие и внедрение компьютеров в различные сфе­ры жизни происходит на протяжении нескольких последних десятилетий. Мое поколение еще хорошо помнит то время, когда автоматиче­ская переработка информации обсуждалась в фантастических ро­манах. Но тридцать лет это достаточный срок, чтобы привыкнуть к тому, что автоматизация стала необходимой во всех областях письменной коммуникации. Уже сейчас во многих наших учрежде­ниях значительная часть информационной продукции выпускается не только в традиционной, но и в машиночитаемой форме.

Однако большинства людей электронная информационная тех­нология непосредственно почти не коснулась. Они по-прежнему пишут пером или на пишущей машинке, читают книги, журналы и газеты в их привычном бумажном виде, обмениваются информацией по почте, телеграфу или телефону, на экран телевизора смотрят в часы досуга. Хотя, разумеется, компьютер уже не представляется громозд­ким и дорогим устройством, занимающим обширные залы, стоящим сот­ни тысяч, а то и миллионы рублей, требующим обслуживания боль­шими коллективами электронных инженеров и программистов.

Это представление уже не подтверждается нашей повседнев­ной практикой ни в одной из информационных сфер, для которых современная информатика служит основным теоретическим базисом. Реальное положение дел в мире коренным образом изменилось, и на сегодняшний день эти представления не со­ответствуют действительности. Что же касается перспективы, даже самой ближайшей, даже на несколько лет вперед, то она предвещает такие изменения, которых мы пока не можем предвидеть.

Электронная вычислительная машина стала дешевым на­стольным инструментом, доступным в обращении всем, кто занят переработкой данных. Это оказалось возможным благодаря невиданному по темпам в истории техники развитию электрони­ки, вычислительной техники и программирования. Стало обычным прослеживать этапы этого развития по поколениям компьютеров, которые сменялись каждое десятилетие, а теперь почти ежегодно.

Почти каждый этап заслуживает рассмотрения, так как указыва­ет на принципиальные изменения при переходе от одного поколения к другому. Важно обратить внимание на то, что изменения основных параметров компьютеров, их быстродействия и объема оперативной памяти от поколения к поколению менялось на один, а то и на два порядка. Для нас, заботящихся о пере­работке не только и не столько числовой, сколько текстовой информации, особое значение имеют последние изменения. Переход от третьего поколения машин к последующим сопровож­дался использованием языков программирования ультравы­сокого уровня, диалоговым режимом использования компьютера и удобным интерфейсом пользователя: в четвертом поколении – цветным дисплеем с графопостроителем и звуковыми сигналами машины, а в пятом – возможностью устного общения с ней.

Это означает, что пользователь может забыть об устройстве машины и думать лишь о содержании и структуре тех проблем, которые он решает при ее помощи. Если прибегнуть к весьма условному, но часто встречающемуся сравнению с управлением автомобилем, то водителю как бы не нужно думать о порядке вспышек в цилиндрах двигателя, опережении зажигания на фор­сированных режимах его работы, он может сосредоточиться на маршруте и особенностях дорожной обстановки.

Продолжая эту аналогию, можно сказать, что как в автомобиле стал необяза­телен шофер-профессионал, так и с компьютером можно управ­ляться без операторов и программистов. По-видимому, нынешний период овладения вычислительными машинами и их развития мож­но уподобить двадцатым годам автомобилизма, когда автомобиль приобретал современный облик, а промышленность переходила к его массовому выпуску. Только темпы развития и распростране­ния компьютеров намного выше.

Разумеется, деление компьютеров на поколения проводится очень обоб­щенно и не отражает многих процессов в информационной техно­логии. Оно удобно лишь для выделения некоторых принципиальных моментов, как в их устройстве, так и в использовании, а главное, в ведущих тенденциях их совершенствования.

Что касается персональных компьютеров, то для нас важно понимать границу между теми, которые были рассчитаны на работу только с дисковой оперативной памятью (ДОС-совместимыми, их последняя версия – АТ 286), и предназначенными для работы с графическими оболочками (Windows-совместимыми, начиная с компьютеров, оснащенных 386 процес­сором). Наиболее впечатляющим прогнозом развития компьютеров стал японский проект пятого поколения ЭВМ, суливший невиданные ранее возможности обработки данных. Нам уже известен девиз этого проекта: "От обработки данных и ин­формации к обработке знаний". Обсуждали мы и технократическую ограниченность представления о чисто аппаратном решении проб­лемы доступа к накопленным челове­чеством знаниям.

Здесь хотелось бы подчеркнуть, что при переходе к пятому поколению компьютеров впервые изменился тип их архитектуры, который оставался неизменным на протяжении четырех десятилетий. За это время на четыре порядка (т. е. в 10 тыс. раз) выросли быстродействие и объем оперативной памяти ЭВМ, несколько раз принципиально менялась их элементная база, тип и режим использования машин. Но их архитектура оставалась постоян­ной – однопроцессорная ЭВМ с последова­тельным принципом вы­числений, восходящая к модели Джона фон Неймана, американ­ского математика венгерского происхождения. Он предложил вводить в машину данные вместе с программой, кодируя и то и другое на одном языке двоичной системы счисления.

Принцип работы такой ЭВМ с одним процессором и одной оперативной памятью показан на рис.11. Необходимо сложить четыре числа. Они помещены в память вместе с текущим результатом, который сейчас равен нулю, и программой действий процессора. За первый такт процессор складывает первое число (3) с текущим результатом (0) и получает новый результат (3), который помещается в память. За второй такт процессор складывает второе число (I5) с текущим результатом (3) и получает новый результат (I8), который помещается в память. За третий такт процессор получает новый текущий результат (22 = 4+18), который снова помещается в память. За четвертый и заключительный такт процессор получает новый результат (43), который является ответом. Если этот процессор должен сложить тысячу чисел, необходима тысяча тактов ЭВМ.

 

Новые поколения компьютеров

В пятом поколении ЭВМ предполагалось применить многопроцессорную машину параллельной архитектуры. Принцип работы одного из вариантов суперкомпьютера такой архитектуры – системы потока данных – иллюстрируется на схеме, составленной директором лаборатории вычислительной техники Массачусетского технологического института М.Л.Дертузосом (рис.12).

 

Рис. 11. Модель Дж.фон Неймана: однопроцессорный компьютер.

 

Рис. 12. Многопроцессорный компьютер параллельной архитектуры.

Особенностью этой системы является наличие нескольких комбинаций процессора и оперативной памяти, каналов "потока данных" и коммутационной сети между ними. Появляющиеся возможности технической реализации такой системы обеспечивает одновременность выполнения операций и ускорение процесса вычисления. Для наглядности схема воспроизводит тот же простой пример сложения четырех чисел, каждое из которых как бы помещено в тележку, движущуюся по рельсам.

В системе потока данных на схеме каждая из четырех комбинаций процессора и памяти присваивает числу (внутри тележки) направление (на флажке сбоку). Тележки движутся по коммутационной сети как на железнодорожных стрелках. Сеть начинает операции, направляя 3 и 15 в А, а 4 и 21 в Б, где они и помещаются в соответствующие оперативные памяти. (Таким образом, комбинации памяти и процессора В и Г в вычислениях участвовать не будут}. За первый такт программы в памяти А и Б предписывают соответствующим процессорам сложить числа и получить результаты, 18 и 25. Эти числа направляются коммутационной сетью в А. (Память, процессор иканал потока данных Б больше не потребуются). За второй такт, попав снова в процессор А, числа 18 и 25 складываются, образуя ответ 43.

Таким образом, имея 4 процессора, можно одновременно сложить 8 чисел за 3 такта или, другими словами, скорость вычислений в такой системе теоретически возрастает как экспонента к числу процессоров. ЭВМ Крэй-2 (США) имел четыре процессора, Крэй-3 – шестнадцать, а в Манчестерском университете проектировалась вычислительная машина с 256 процессорами. При этом, разумеется, изменение типа архитектуры было не единственным способом совершенствования компьютеров на пути к пятому поколению, а описанная модель их новой архитектуры являлся лишь одним из возможных вариантов.

Впервые идею о построении многопроцессорной ЭВМ высказали советские ученые в середине 70-х годов. Академик В. М. Глуш­ков в одной из последних своих бесед, будучи уже тяжело больным, предложил принцип вычислений на ЭВМ, который он назвал "макроконвейерным". Он уподобил работу обычного однопроцессорного компьютера заводскому конвейеру. Макроконвейер может быть ор­ганизован так, что несколько заводов кооперируются, изготав­ливая на своих конвейерах разные детали, которые затем соби­раются в готовое изделие. Точно так же, по его мнению, можно решать сложную вычислительную задачу параллельно на несколь­ких процессорах, если один из них обеспечивает управление ос­тальными. Эта идея сейчас успешно реализуется.

Характеризуя пятое поколение компьютеров, обычно говорят об их быстродействии в сотни миллиардов операций в секунду и объеме памяти в миллиарды байт, о том, что они воспри­нимают и выдают информацию в форме устной речи, распознают и отождествляют трехмерные цветные изображения, моделируют рассуждения специа­листов в узких предметных областях. Какое же конкретное примене­ние находят эти машины в жизни?

Большинство зарубежных специалистов считает, что самыми распространенными сферами использования компьютеров нового поколения являются промышленное производство и делопроизвод­ство, наука и техника, конструирование и программирование вычислительных машин, авиация и космонавтика, военное дело, сфера торговли и услуг, образование, здравоохранение, искус­ство и культура. Значительная часть необходимых технических и программных средств уже создана и работает в промышленном режиме. Для массового их про­изводства и внедрения требуются экономичные технологии и серьезные меро­приятия по подготовке пользователей.

В промышленности компьютеры нового поколения позволяют создать полностью автоматизированные производства, управление которы­ми централизовано и осуществляется на уровне заданий по ассор­тименту, количеству и качеству изделий. В делопроизводстве интегрируется хранение, поиск и распространение служебной документации с организационным управлением и средствами комму­никации. Получают распространение телеконференции.

В науке, технике, медицине, авиации, торговле и сфере ус­луг повышается эффективность справочно-информационных систем, которые позволяют абонентам на рабочем месте перерабатывать в нужном аспекте полученную информацию. Экспертные и особенно диагностические системы достигают в этих сферах высокой сте­пени интеллектуализации и занимают важное место в структуре трудовой деятельности ученых, инженеров, врачей и специали­стов многих других отраслей народного хозяйства.

Образование и игры составляют особую сферу применения ком­пьютеров, особенно персональных, на которую в настоящее время падает значительная доля их сбыта. Важную роль здесь иг­рает совмещение цветного и объемного изображения со звуком и возможностью манипулировать текстом. Учебный процесс стано­вится активным и динамичным. Каждый может преобразовать учеб­ник под свои нужды. Сведения сообщаются не только в виде тек­ста, но могут иллюстрироваться изображениями процессов и со­провождающих их звуков. Обучение сочетается с творчеством, отдых с просвещением. Вы можете, не выходя из дома, совершать путешествия, посещать музеи, обучаться вождению автомобиля, самолета, космического корабля и т. п.