Третье поколение ЭВМ

Бурно развивающаяся авиация, космическая техника и другие области науки и техники требовали миниатюрных, надежных и быстрых вычислительных устройств. Поэтому дальнейшее развитие электронной вычислительной техники требовало разработки новой технологии, и такая технология не замедлила появиться. Новый прорыв в производительности, надежности и миниатюризации позволила сделать технология интегральных схем, ознаменовавшая собой переход на третье поколение ЭВМ, создаваемых с 1964 по 1974 г.г.[1]

Использование интегральных схем позволило получить ряд преимуществ:

1. Увеличилась надежность ЭВМ. Надежность интегральных схем – на порядок выше надежности аналогичных схем на дискретных компонентах.[2] Повышение надежности, в первую очередь, обусловлено уменьшением межсхемных соединений, являющихся одним из слабейших звеном в конструкции ЭВМ. Повышение надежности, в свою очередь, привело к значительному снижению стоимости эксплуатации ЭВМ.

2. За счет повышения плотности упаковки электронных схем, уменьшилось время передачи сигнала по проводникам и, как следствие, увеличилось быстродействие ЭВМ.

3. Производство интегральных схем хорошо поддается автоматизации, что при серийном производстве резко уменьшает себестоимость производства и способствует популяризации и расширению области применения ЭВМ.

4. Высокая плотность упаковки электронных схем уменьшила на несколько порядков габариты, массу и потребляемую мощность ЭВМ, что позволило использовать их в недоступных до этого областях науки и техники, таких как авиация и космическая техника.

Несмотря на явные преимущества использования технологии интегральных схем, на практике их массовое применение в ЭВМ началось спустя 12 лет, после разработки концепции интегральной схемы, опубликованной в 1952 году Джеффри Даммером из британского министерства обороны [1]. Однако, Даммер только высказал идею о создании электронных элементов в виде единого блока при помощи полупроводниковых слоев из одного и того же материала, а как на практике в едином монолите разместить несколько элементов он не указал. В 1956 году Даммер пытался воплотить в реальность свои идеи, но разработанные устройства оказались неработоспособными. [3]

На практике реализовать изложенные идеи удалось Джеку Килби из фирмы Texas Instruments и Роберту Нойсу из небольшой компании Fairchild Semiconductor.

В мае 1958 года Джек Килби устроился на работу в Texas Instruments, где он стал заниматься разработкой транзисторов, конденсаторов и резисторов (до этого он работал в Centralab и занимался производством слуховых аппаратов на базе транзисторов). Однажды команда, в которой работал Джек Килби, получила задание проработать варианты создания альтернативных микромодулей. Предлагались различные варианты, и Килби, обдумывая задачу, пришел к выводу, что компании выгоднее всего производить только полупроводниковые элементы, и что резисторы и конденсаторы можно сделать из того же материала, что и активные элементы, и разместить их в едином монолитном блоке из того же материала. Обдумывая эту идею, Джек прикинул топологию схемы мультивибратора. Так 24 июля 1958г. родилась идея практической реализации интегральной схемы. [3]

Изложив свои идеи начальству, Джек получил задание создать опытный образец для доказательства состоятельности своих расчетов. Тогда была построена схема триггера из дискретных германиевых элементов. 28 августа 1958 года Джек Килби продемонстрировал макет Уиллису Эдкоку. [3]

После одобрения начальства, Килби приступил к созданию настоящей монолитной интегральной микросхемы – генератора с фазовым сдвигом.

12 сентября 1958 года было готово три микросхемы, работающие на частоте 1.3 МГц. [4]

Параллельно с Джеком Килби разработкой интегральной микросхемы занимался Роберт Нойс. Роберту крайне не нравилась технология производства дискретных элементов. Он говорил, что довольно бессмысленным выглядит трудоемкий процесс нарезаний пластины кремния на отдельные элементы, а затем соединение их в единую схему. Нойс предложил изолировать отдельные транзисторы в кристалле друг от друга обратно смещенными p-n-переходами, а поверхность покрывать изолирующим окислом. Контакт между отдельными элементами осуществлялся через вытравленные в изолирующем окисле по специальному шаблону участки на поверхности микросхемы. Эти участки соединялись между собой тонкими линиями из алюминия.

Килби создал свою микросхему и подал заявку на патент чуть раньше Нойса, однако, технология Нойса была более продуманной и удобной, и документы на заявку подготовлены тщательнее. В результате, патент на изобретение Нойс получил раньше – в апреле 1961 года, а Килби – только в июне 1964 года. [3]

Последовавшие за тем многочисленные судебные разбирательства и война за право считаться изобретателем технологии закончились миром. В конечном итоге, Апелляционный Суд подтвердил претензии Нойса на первенство в технологии, но постановил считать Килби создателем первой работающей микросхемы.

Серийный выпуск интегральных схем был налажен в 1961 году, тогда же была создана фирмой " Texas Instruments" по заказу ВВС США первая экспериментальная ЭВМ на интегральных схемах. Разработка велась 9 месяцев и была завершена в 1961г. ЭВМ имела всего 15 команд, была одноадресной, тактовая частота была 100 КГц, емкость запоминающего устройства – всего 30 чисел, для представления чисел использовалось 11 двоичных разрядов, потребляемая мощность составляла всего 16Вт, вес – 585гр, занимаемый объем – 100 кубических сантиметров. [1]

Первые интегральные схемы были малой плотности, но со временем технология их производства отлаживалась, плотность возрастала. В ЭВМ третьего поколения использовались интегральные схемы малой и средней плотности, позволяющие в одном кристалле объединять сотни элементов. Такие микросхемы могли использоваться, как отдельные операционные схемы – регистры, дешифраторы, счетчики и т.д.

Появление интегральных схем позволило усовершенствовать структурную схему ЭВМ второго поколения. Так сильно связанные устройства управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) были объедены в единый блок, который стал называться процессором. Причем, в процессоре могло быть несколько арифметико-логических устройств, каждое из которых выполняло свою функцию, например, одно АЛУ было ориентированно на работу с целыми числами, другое – с числами с плавающей точкой, а третье – с адресами. Также могло быть несколько устройств управления, одно – центральное, и несколько – периферийных, используемых для управления отдельными блоками ЭВМ.

Часто ЭВМ состояли из нескольких процессоров, что позволяло максимально полно использовать открывшиеся перспективы в параллельном решении задач.

В ЭВМ третьего поколение уже четко выделяется иерархия памяти. ОЗУ делится на независимые блоки с собственными системами управления, работающие параллельно. Структура оперативной памяти делится на страницы и сегменты. [1] Развивается и внутренняя память процессора – создаются предпосылки к вводу кэширования памяти.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) подключаются через специальный контроллер селекторного канала (КCК). Их емкость и скорость значительно возрастают. Так в июне 1973 года в качестве внешнего накопителя был выпущен жесткий диск IBM 3340. [5]

Накопитель был герметичным – это защищало рабочие поверхности дисков от пыли и грязи, что позволяло размещать головки очень близко к магнитной поверхности диска. Впервые, был применен принцип аэродинамической магнитной головки, которая буквально парила над вращающейся поверхностью жесткого диска под действием аэродинамической силы.

Все это позволило значительно увеличить плотность записи (до 1.7 Мбит на квадратный дюйм) и увеличить емкость до 30 Мбайт (на несменном носителе). Также у накопителя имелся сменный носитель емкостью 30 Мбайт. [5]

Наряду с совершенствованием логических устройств и памяти, полным ходом шла модернизация устройств ввода-вывода. Быстродействие новых ЭВМ требовало более быстрой и надежной системы ввода-вывода данных, чем устройства чтения перфокарт и телетайпы. На смену им пришли клавиатуры, панели графического ввода, дисплеи со световым карандашом, плазменные панели, растровые графические системы и другие устройства.[6]

Большое разнообразие периферийных устройств, их сравнительно большое быстродействие, необходимость отделить операции ввода-вывода от вычислительного процесса привело к созданию специализированного контроллера мультиплексного канала (КМК), позволившего процессорам работать параллельно с вводом-выводом данных.

Обобщенная структурная схема ЭВМ третьего поколения, иллюстрирующая вышесказанное, изображена на схеме ниже.

На схеме:

УВВ – устройство ввода-вывода;
ОЗУ – одно или несколько оперативных запоминающих устройств;
АЛУ - одно или несколько арифметико-логических устройств;
УУ - одно или несколько устройств управления;
МК - контроллер мультиплексного канала (канала для подключения медленных устройств);
СК - контроллер селекторного канала (канала для подключения высокоскоростных устройств);
ВЗУ – внешнее запоминающее устройство.

Использование интегральных технологий значительно снизило стоимость ЭВМ, что незамедлительно привело к повышению спроса. Многие организации приобрели ЭВМ и успешно их эксплуатировали. Немаловажным фактором становится стремление к стандартизации и выпуску целых серий ЭВМ программно совместимых снизу вверх.

Возникает огромная потребность в прикладных программных продуктах, а так как рынок программного обеспечения еще не развит, и найти готовое, надежное и дешевое программное обеспечение практически невозможно, возникает гигантский рост популярности программирования и спроса на грамотных разработчиков программных продуктов. Каждое предприятие стремится организовать свой штат программистов, возникает специализированные коллективы, занимающиеся разработкой программного обеспечения и стремящиеся занять кусочек еще неосвоенной ниши на арене быстро растущей компьютерной технологии.

Рынок программного обеспечения быстро развивается, создаются пакеты программ для решения типовых задач, проблемно-ориентированные программные языки и целые программные комплексы для управления работой ЭВМ, которые впоследствии получат название – операционные системы.

Первые операционные системы начали появляться еще во времена ЭВМ второго поколения. Так в 1957 году компанией Bell Labs была разработана операционная система BESYS (Bell Operating System). А в 1962 году была разработана компанией General Electric операционная система GCOS (General Comprehensive Operating System), ориентированная для работы на Мейнфреймах. Но это все были только предпосылки к созданию, по-настоящему, популярных и востребованных операционных систем. К концу 1960-х годов уже был создан целый ряд операционных систем, реализующий множество необходимых функций по управлению ЭВМ. Всего эксплуатировалось более сотни различных ОС. [7]

Среди наиболее развитых операционных систем были:

OS/360, разработанная фирмой IBM в 1964 году для управления мейнфреймами;

MULTICS - одна из первых операционных систем с разделением времени исполнения программ;

UNIX, разработанная в 1969 году и, впоследствии, разросшаяся до целого семейства операционных систем, многие из которых являются одними из самых популярных на сегодняшний день.

Использование операционных систем упростило работу с ЭВМ и способствовало популяризации электронной вычислительной техники.

На фоне значительного роста интереса к электронной вычислительной техники в США, Европе, Японии и других странах, в СССР наблюдается спад прогресса в этой области науки. Так в 1969 году Советский Союз заключил соглашение о сотрудничестве в разработке Единой системы ЭВМ, за образец которой была взята одна из лучших на тот момент ЭВМ – IBM360. Ориентация СССР на зарубежные достижения в дальнейшем привела к значительному отставанию в области вычислительной техники. [1]

Среди ЭВМ третьего поколения наиболее значимыми разработками были:

IBM System - 360 - целое семейство ЭВМ, выпуск которого начался с 1964 года. Все модели семейства имели единую систему команд и отличались друг от друга объемом оперативной памяти и производительностью, и были универсальными, способными решать, как сложные логические задачи, так и быть полезными в экономических расчетах. Универсальность ЭВМ отражена и в ее названии. 360 означает 360 градусов, т.е. ее возможность работать в любом из направлений. Затраты на разработку System-360 составили около 5 млрд. долларов США, что вдвое превышало расходы США во время второй мировой войны на Манхэттенский проект, целью которого было создание атомной бомбы. Проект по созданию IBM 360 уступал по стоимости только программе «Аполлон» [8]. Архитектура IBM 360 оказалась чрезвычайно удачной и во многом определила направление развития вычислительной техники;

PDP8 – мини-ЭВМ, разработанная 22 марта 1965 года фирмой Digital Equipment Corporation (DEC). Термин «мини» – относительный. Эта ЭВМ была размером примерно с холодильник, но, по сравнению с другими представителями электронных вычислительных машин, размер её был действительно миниатюрным. Этот проект был коммерчески очень выгодным. Всего было продано около 50 000 экземпляров этой машины. Система PDP-8 имела массу аналогичных решений – клонов по всему миру. Так в СССР было разработано несколько аналогов этой ЭВМ: Электроника-100, Саратов-2 и др.; [9]

Наири 3 – одна из первых самостоятельно разработанных в СССР ЭВМ третьего поколения. Эта разработка увидела свет в 1970 году в Ереванском научно-исследовательском институте математических машин. В ней использовался упрощенный машинный язык, призванный облегчить программирование. Также была возможность вводить некоторые задачи на математическом языке;

ЕС ЭВМ - единая система электронных вычислительных машин, за основу которой была взята удачная и хорошо себя зарекомендовавшая архитектура IBM System-360. Первые машины этой серии были созданы в СССР в 1971 году. Производительность первых образцов была от 2 750 операций в секунду (ЕС-1010) до 350 000 операций в секунду (ЕС-1040). Впоследствии, производительность удалось поднять до нескольких десятков миллионов операций в секунду, но, практически, все эти разработки были остановлены в 1990-х годах после распада СССР;

ILLIAC 4 – одна из самых производительных вычислительных машин третьего поколения. ILLIAC 4 была создана в 1972 году в Иллинойском университете и обладала конвейерной архитектурой, состоящей из 64 процессоров. ЭВМ предназначалась для решения системы уравнений в частных производных и обладала быстродействием, порядка 200 млн. операций в секунду.

Этот список можно продолжать и дальше, но и так ясно, что ЭВМ уже прочно и на долго вошли в нашу жизнь, и их дальнейшее развитие и совершенствование уже не остановить. С развитием технологии производства интегральных схем плотность компоновки элементов постепенно увеличивалась. Стали появляться сверх большие интегральные схемы, и ЭВМ третьего поколения, строящиеся на интегральных схемах малой и средней плотности, постепенно стали вытесняться ЭВМ четвертого поколения на больших и сверх больших интегральных схемах.

Список используемой литературы

1. История развития вычислительной техники. Ланина Э.П. ИрГТУ, Иркутск – 2001 г.

2. Развитие вычислительной техники. Апокин И.А. М., «Наука», 1974 г.

6. От абака до компьютера. Р. С. Гутер. Издательство «Знание», Москва 1981.