Программное обеспечение ЭВМ. Разработка компьютеров будущего.

Программное обеспечение ЭВМ.Разработка компьютеров будущего.

Электронно-вычислительная машина (сокращённо ЭВМ) — комплекс технических средств, в котором основные функциональные элементы (логические, запоминающие, индикационные и др.) выполнены на электронных элементах, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач
Виды ЭВМ:
Мини-ЭВМ — малая ЭВМ, что имеет небольшие размеры и стоимость. Появившись в конце 1960-х годов, мини-ЭВМ имели широкие возможности в решении задач различных классов.
Микро-ЭВМ — ЭВМ малых размеров, созданная на базе микропроцессора. Ранее различали микро-ЭВМ следующих видов: встроенные и персональные, настольные и портативные, профессиональные и бытовые. Термин ПЭВМ (персональная ЭВМ)вытеснен синонимом «персональный компьютер» (сокращённо: ПК). В настоящее время, персональные компьютеры не относятся к микрокомпьютерам.
Большие ЭВМ (мейнфреймы)
Супер ЭВМ (суперкомпьютеры)

Программное обеспечение ЭВМ – это совокупность программ и документации, необходимые для эксплуатации ЭВМ.

Существуют следующие виды программного обеспечения :

- Базовое программное обеспечение;

- Системное программное обеспечение;

- Прикладное программное обеспечение;

- Инструментарий технологий программирования..

Базовое программное обеспечение – самый низкий уровень программного обеспечения. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми программными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ – Read Only Memory).

Системное программное обеспечение (System Software) — совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютера и сетей ЭВМ.

Системнoe программное обеспечение направлено:

1. На создание операционной среды функционирования других программ;

2. На обеспечение надежной и эффективной работы самого компьютера и вычислительной сети;

3. На проведение диагностики и профилактики аппаратуры компьютера и вычислительных сетей;

Зарождение ЭВМ

Период становления вычислительной техники происходил с момента появления в 1946 г. первой ЭВМ «ЭНИАК» и до 1955 г., когда сформировалась архитектура машин и был принят принцип модульности, согласно которому ЭВМ конструировалась в виде ряда функционально законченных блоков, размещенных в отдельных стойках и шкафах. Начиная с 1955 г., в истории развития вычислительной техники прослеживается несколько этапов, связанных, прежде всего, с развитием элементной и технологической базы. На каждом этапе создавалось свое поколение ЭВМ.
Обобщённым параметром компьютера является его вычислительная мощность, т.е. произведение быстродействия на внутреннюю память ЭВМ.

1 поколение ЭВМ1955 - 1960

Первое поколение ЭВМ строилось на электровакуумных лампах (радиолампах) и дискретных радиодеталях. В качестве внутренней памяти использовались магнитные барабаны. Внешняя память была на магнитных лентах. Информация в машину вносилась с бумажных перфорированных лент и карт. Выходная информация распечатывалась также на бумажном носителе.

IBM 701

29 апреля 1952 г. появилась первая ЭВМ фирмы IBM
В качестве памяти использовался магнитный барабан. Ёмкость ОЗУ 20480 байт
Производительность 8000 опер./сек

2 поколение ЭВМ1960 - 1965

В ЭВМ второго поколения в качестве элементной базы использовались полупроводниковые приборы, миниатюрные дискретные радиодетали и печатный монтаж. Память машин строилась на магнитных ферритовых сердечниках.

IBM 360/40

Изготовлена в 1964 г. Для разных моделей комбинируется из 19 блоков центрального процессора и 40 типов периферии.
Ёмкость ОЗУ 256 Кбайт
Производительность
246 тыс. опер/сек

3 поколение ЭВМ1965 - 1970

Третье поколение ЭВМ обеспечивалось уже интегральными схемами и микроминиатюрными ферритовыми сердечниками диаметром до 0.3 мм. ЭВМ стали ещё более экономичными и быстродействующими.

IBM 370/145

Изготовлена в1970 г. Впервые применены интегральные схемы на 1400 элементов в кристалле. Ёмкость ОЗУ 512 Кбайт. Производительность 1.23 млн. опер/сек

4 поколение ЭВМ1970 - 1990

В ЭВМ этого поколения на базе кремниевой технологии применяются большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы как в логических, так и запоминающих устройствах. В машинах этого поколения стали использоваться микропроцессоры. Степень их интеграции росла лавинообразно. Например, динамика изменения величины памяти однокристальной БИС выглядит так:
1970 г.- 128 бит
1978 г. – 64 Кбит
1982 г. –228 Кбит
1984 г. – 1 Мбит.

IBM 370/168

Изготовлена в 1972 г. Эта модель машины была одной из самых распространённых.
Ёмкость ОЗУ 8.2 Мбайт. Производительность 7.7 млн. опер/сек.

5 поколение ЭВМ1990 – по наст.вр.

Используются как универсальные, так и специализированные сверхбольшие (СБИС) и ультрабольшие (УБИС) интегральные схемы широкой номенклатуры. Монтаж УБИС ведётся на многослойные печатные платы, в свою очередь спрессованные сэндвичем с общим количеством до 100 слоёв.

eServer z990

Изготовлен в 2003 г. Имеет вес 2000 кг и потребляет мощность 21 кВт. Занимает площадь 2,5 кв. м и имеет высоту 1,94 м. Емкость ОЗУ — 256 Гб, производительность — 9 млрд. оп./с.

Компьютеры будущего.

Молекулярные компьютерыНедавно компания Hewlett-Packard объявила о первых успехах в изготовлении компонентов, из которых могут быть построены мощные молекулярные компьютеры. Ученые из HP и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) объявили о том, что им удалось заставить молекулы ротаксана переходить из одного состояния в другое - по существу, это означает создание молекулярного элемента памяти.

Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей, способных выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Весь такой компьютер может состоять из слоя проводников, проложенных в одном направлении, слоя молекул ротаксана и слоя проводников, направленных в обратную сторону. Конфигурация компонентов, состоящих из необходимого числа ячеек памяти и логических ключей, создается электронным способом. По оценкам ученых HP, подобный компьютер будет в 100 млрд. раз экономичнее современных микропроцессоров, занимая во много раз меньше места.

Сама идея этих логических элементов не является революционной: кремниевые микросхемы содержат миллиарды таких же. Но преимущества в потребляемой энергии и размерах способны сделать компьютеры вездесущими. Молекулярный компьютер размером с песчинку может содержать миллиарды молекул. А если научиться делать компьютеры не трехслойными, а трехмерными, преодолев ограничения процесса плоской литографии, применяемого для изготовления микропроцессоров сегодня, преимущества станут еще больше.

Кроме того, молекулярные технологии сулят появление микромашин, способных перемещаться и прилагать усилие. Причем для создания таких устройств можно применять даже традиционные технологии травления. Когда-нибудь эти микромашины будут самостоятельно заниматься сборкой компонентов молекулярного или атомного размера.

Первые опыты с молекулярными устройствами еще не гарантируют появления таких компьютеров, однако это именно тот путь, который предначертан всей историей предыдущих достижений. Массовое производство действующего молекулярного компьютера вполне может начаться где-нибудь между 2005 и 2015 годами.

Биокомпьютеры
Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временемуменьшить компьютеры до размеров живой клетки. Пока эта чашка Петри, наполненная спиралями ДНК, или нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам. По существу, наши собственные клетки - это не что иное, как биомашины молекулярного размера, а примером биокомпьютера, конечно, служит наш мозг.

Ихуд Шапиро из Вейцманоского института естественных наук соорудил пластмассовую модель биологического компьютера высотой 30 см. Если бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул, его размер был бы равен размеру одного из компонентов клетки - 0,000025 мм. По мнению Шапиро, современные достижения в области сборки молекул позволяют создавать устройства клеточного размера, которое можно применять для биомониторинга.

Более традиционные ДНК-компьютеры в настоящее время используются для расшифровки генома живых существ. Пробы ДНК применяются для определения характеристик другого генетического материала: благодаря правилам спаривания спиралей ДНК, можно определить возможное расположение четырех базовых аминокислот (A, C, T и G).

Чтобы давать полезную информацию, цепочки ДНК должны содержать по одному базовому элементу. Это достигается при помощи луча света и маски. Для получения ответа на тот или иной вопрос, относящийся к геному, может потребоваться до 80 масок, при помощи которых создается специальный чип стоимостью более 12 тыс. дол. Здесь-то и пригодилась микросхема DMD от Texas Instruments: ее микрозеркала, направляя свет, исключают потребность в масках.

Билл Дитто из Технологического института штата Джорджия провел интересный эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи. Вероятно, биологические компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, в отличие от кремниевых устройств, смогут искать нужные решения посредством самопрограммирования. Дитто намерен использовать результаты своей работы для создания мозга роботов будущего.

Оптические компьютеры
По сравнению с тем, что обещают молекулярные или биологические компьютеры, оптические ПК могут показаться не очень впечатляющими. Однако ввиду того, что оптоволокно стало предпочтительным материалом для широкополосной связи, всем традиционным кремниевым устройствам, чтобы передать информацию на расстояние нескольких миль, приходится каждый раз преобразовывать электрические сигналы в световые и обратно.

Эти операции можно упростить, если заменить электронные компоненты чисто оптическими. Первыми станут оптические повторители и усилители оптоволоконных линий дальней связи, которые позволят сохранять сигнал в световой форме при передаче через все океаны и континенты. Со временем и сами компьютеры перейдут на оптическую основу, хотя первые модели, по-видимому, будут представлять собой гибриды с применением света и электричества. Оптический компьютер может быть меньше электрического, так как оптоволокно значительно тоньше (и быстрее) по сравнению с сопоставимыми по ширине полосы пропускания электрическими проводниками. По существу, применение электронных коммутаторов ограничивает быстродействие сетей примерно 50 Гбит/с. Чтобы достичь терабитных скоростей потребуются оптические коммутаторы (уже есть опытные образцы). Это объясняет, почему в телекоммуникациях побеждает оптоволокно: оно дает тысячекратное увеличение пропускной способности, причем мультиплексирование позволяет повысить ее еще больше. Инженеры пропускают по оптоволокну все больше и больше коротковолновых световых лучей. В последнее время для управления ими применяются чипы типа TI DMD с сотнями тысяч микрозеркал. Если первые трансатлантические медные кабели позволяли передавать всего 2500 Кбит/с, то первое поколение оптоволоконных кабелей - уже 280 Мбит/с. Кабель, проложенный сейчас, имеет теоретический предел пропускной способности в 10 Гбит/с на один световой луч определенной длины волны в одном оптическом волокне.

Недавно компания Quest Communications проложила оптический кабель с 96 волокнами (48 из них она зарезервировала для собственных нужд), причем по каждому волокну может пропускаться до восьми световых лучей с разной длиной волны. Возможно, что при дальнейшем развитии технологии мультиплексирования число лучей увеличится еще больше, что позволит расширять полосу пропускания без замены кабеля.

Целиком оптические компьютеры появятся через десятилетия, но работа в этом направлении идет сразу на нескольких фронтах. Например, ученые из университета Торонто создали молекулы жидких кристаллов, управляющие светом в фотонном кристалле на базе кремния. Они считают возможным создание оптических ключей и проводников, способных выполнять все функции электронных компьютеров.

Однако прежде чем оптические компьютеры станут массовым продуктом, на оптические компоненты, вероятно, перейдет вся система связи - вплоть до "последней мили" на участке до дома или офиса. В ближайшие 15 лет оптические коммутаторы, повторители, усилители и кабели заменят электрические компоненты.

Квантовые компьютеры

Квантовый компьютер будет состоять из компонентов субатомного размера и работать по принципам квантовой механики. Квантовый мир - очень странное место, в котором объекты могут занимать два разных положения одновременно. Но именно эта странность и открывает новые возможности.

Например, один квантовый бит может принимать несколько значений одновременно, то есть находиться сразу в состояниях "включено", "выключено" и в переходном состоянии. 32 таких бита, называемых q-битами, могут образовать свыше 4 млрд комбинаций - вот истинный пример массово-параллельного компьютера. Однако, чтобы q-биты работали в квантовом устройстве, они должны взаимодействовать между собой. Пока ученым удалось связать друг с другом только три электрона.

Уже есть несколько действующих квантовых компонентов - как запоминающих, так и логических. Теоретически квантовые компьютеры могут состоять из атомов, молекул, атомных частиц или "псевдоатомов". Последний представляет собой четыре квантовых ячейки на кремниевой подложке, образующих квадрат, причем в каждой такой ячейке может находиться по электрону. Когда присутствуют два электрона, силы отталкивания заставляют их размещаться по диагонали. Одна диагональ соответствует логической "1", а вторая - "0". Ряд таких ячеек может служить проводником электронов, так как новые электроны будут выталкивать предыдущие в соседние ячейки. Компьютеру, построенному из таких элементов, не потребуется непрерывная подача энергии. Однажды занесенные в него электроны больше не покинут систему.

Теоретики утверждают, что компьютер, построенный на принципах квантовой механики, будет давать точные ответы, исключая возможность ошибки. Так как в основе квантовых вычислений лежат вероятностные законы, каждый q-бит на самом деле представляет собой и "1", и "0" с разной степенью вероятности. В результате действия этих законов менее вероятные (неправильные) значения практически исключаются.

Насколько близко мы подошли к действующему квантовому компьютеру? Прежде всего необходимо создать элементы проводников, памяти и логики. Кроме того, эти простые элементы нужно заставить взаимодействовать друг с другом. Наконец, нужно встроить узлы в полноценные функциональные чипы и научиться тиражировать их. По оценкам ученных, прототипы таких компьютеров могут появиться уже в 2005 году, а в 2010-2020 годах должно начаться их массовое производство.