Классификация ЭВМ

Классификация ЭВМ

С развитием технологии производства ЭВМ классифицировать их стало сложно. Это объясняется тем, что стерлись видимые грани

между основными характеристиками. Например, персональный ком­пьютер, для размещения которого вполне достаточно письменного стола, имеет такие же возможности и технические характеристики, что и достаточно совершенная в совсем недалеком прошлом ЭВМ, занимающая машинный зал в несколько сотен квадратных метров.

Поэтому разделение ЭВМ по приведенным признакам не стоит вос­принимать как классификацию по техническим параметрам.

Вне зависимости от страны производителя ЭВМ принято клас­сифицировать по признакам представленных далее.

По принципу действия:

• аналоговые (АВМ)
• цифровые (ЦВМ)
• гибридные (ГВМ)

АВМ — вычислительные машины непрерывного действия. Они работают с информацией, представленной в аналого­вом форме, т.е. (скорость, длина, напряжение, сила тока, давление).

АВМ весьма просты и удобны в эксплуатации. Программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2—5 %). На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифферен­циальные уравнения, не требующие сложной логики.

ЦВМ — вычислительные машины дискретного действия, рабо­тают с информацией, представленной в дискретной, а точнее в цифровой форме.

ГВМ — вычислительные машины комбинированного действия. Они работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ.

ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Наиболее широкое применение получили ЦВМ, которые обыч­но называются электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.

По габаритам и производительности:

• сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер ЭВМ);
• большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения);
• средние ЭВМ;
• малые, или мини-ЭВМ;
• микроЭВМ;
• персональные компьютеры;
• микропроцессоры.

Супер ЭВМ — сверхпроизводительные ЭВМ, предназначенные для решения особо сложных задач в областях науки, техники и управления, например, таких как прогнозирование метеообстанов­ки, ядерная энергетика, оборона и т.д.

Самые мощные ЭВМ ис­пользуют тысячи процессоров, потребляют мегаватты энергии и занимают целые этажи зданий. Такие машины обладают колоссаль­ным быстродействием в миллиарды операций в секунду, основанном на выполнении параллельных вычислений и использовании много­уровневой иерархической структуры запоминающих устройств, требуют для своего размещения специальных помещений и крайне сложны в эксплуатации. Стоимость отдельной ЭВМ такого класса достигает десятки миллионов долларов.

Основными производите­лями их являются фирмы США и Японии, в частности - IBM, Cray, Fujitsu, NEC и отечественные супер-ЭВМ семейства Эльбрус.

Суперкомпьютер Blue Gene/L

Суперкомпьютер Blue Gene/L выполнил 70,7 трлн операций в секунду (TFLOPS). Blue Gene/L — суперкомпьютерный проект IBM, направленный на создание нового семейства суперкомпьютеров, оптимизированных по пропускной способности, масштабируемости и возможности обрабатывать большие объемы данных и в то же время позволяющих на порядок уменьшить энергопотребление и занимаемую площадь по сравнению с самыми мощными на сегод­няшний день системами. Прототип машины Blue Gene/L по физическим размерам примерно в 20 раз меньше существующих систем сопоставимой мощности. Многократно сократив энергопотребле­ние, стоимость и занимаемую площадь.

Среди первых задач для Blue Gene/L — исследование процесса сворачивания белка человека, моделирования физических явлений (поведение двойных звезд, взаимодействие лазера с плазмой, про­цесс старения ядерного оружия и т.д.).

Суперкомпьютер Blue Gene/L

Суперкомпьютер Фугаку

Японский суперкомпьютер, компании Fujitsu назван в честь альтернативного названия горы Фудзи. В июне 2020 года стал самым быстрым суперкомпьютером в мире. В Фугаку установлено 158 976 процессоров A64FX от компании AMD, каждый процессор имеет 48 ядер. Фугаку" способен совершать свыше 415 квадриллионов вычислений в секунду.

Большие ЭВМ — ЭВМ, имеющие высокую производительность, большой объем основной и внешней памяти. Они обладают спо­собностью параллельной обработки данных и обеспечивают как пакетный, так и интерактивный (диалоговый) режимы работы.

Большие ЭВМ предназначены для выполнения работ, связанных с обработкой и хранением больших объемов информации, проведе­нием сложных расчетов и исследований в ходе решения вычислительных и информационно-логических задач.

Средние ЭВМ — ЭВМ производительностью до нескольких миллионов операций в секунду, с емкостью оперативной памяти в несколько десятков мегабайт и разрядностью от 32.

Вычислительные машины этого класса обладают не­сколько меньшими возможностями, чем большие ЭВМ, но зато им присуща и более низкая стоимость. Они предназначены для ис­пользования всюду, где приходится постоянно обрабатывать до­статочно большие объемы информации с приемлемыми времен­ными затратами.

Малые, или мини-ЭВМ , — так назывались ЭВМ, конструктивно выполненные в одной стойке и занимавшие небольшой объем.

По сравнению с большими и средними машинами мини-ЭВМ облада­ют существенно более низкой производительностью и объемом памяти. Пример:   миниатюрный одноплатный компьютер Raspberry Pi.

МикроЭВМ —это вычислительная машина, имеющая разрядность в один или два байта, малые габариты и низкую стоимость.

Примеры микроЭВМ: интеллектуальная карточка (smart card) — пластиковая карточка со встроенным микропроцессором и памятью. хра­нит личные сведения, идентификационные шифры для охранных устройств, данные банковского счета

Персональные компьютеры (ПК) предназначены для индивиду­ального обслуживания пользователя и ориентированных на реше­ние различных задач неспециалистами в области вычислительной техники. Все оборудование ПК размещается в пределах стола.

Широко используются как для поддержки различных видов профессиональной деятельности (инженерной, производственной, финансовой) так и в быту, например для обучения и досуга.

Микропроцессор - функционально законченное устройство обработки информации, созданное на одной БИС (большая интегральная схема  — до 10 тыс. элементов в кристалле) или СБИС (сверхбольшая интегральная схема  — более 10 тыс. элементов в кристалле) , выполняющие функции процессора

По способу организации вычислительного процесса:

• многопроцессорные
• однопроцессорные
• параллельные
• последовательные

В многопроцессорных ЭВМ архитектура предусматривает исполь­зование большого числа процессоров, чем обеспечивается суще­ственное повышение ее вычислительной мощности и, в частности, возможность обработки значительных объемов информации.

В однопроцессорных ЭВМ быстродействующая память подклю­чена к единственному центральному процессору, который выбира­ет команды из памяти, декодирует каждую из них, выбирает данные (в соответствии с предписанием в команде), хранящиеся в указан­ных ячейках памяти, выполняет указанные операции и запоминает результаты в предписанных ячейках. Кроме того, к системе должны быть подключены устройства ввода и вывода.

Параллельная организация вычислительного процесса предпо­лагает разбиение решаемой задачи на какие-либо части и дальней­шее одновременное их выполнение.

Последовательная организация вычислительного процесса пред­полагает последовательное выполнение программы,т.е, команда за командой согласно логике программы.

По уровню специализации ЭВМ:

• универсальные (общего назначения);
• проблемно-ориентированные;
• специализированные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения различных инженерно-технических задач, отличающихся сложностью алго­ритмов и большим объемом обрабатываемых данных.

Проблемно-ориентированные ЭВМ предназначены для решения более узкого круга задач, связанных с регистрацией, накоплением и обработкой небольших объемов данных.

Специализированные ЭВМ используют для решения узкого кру­га задач (микропроцессоры и контроллеры, выполняющие функции управления техническими устройствами).

Пример: Arduino Uno, Arduino Nano

По поколению:

• первое поколение
• второе поколение
• третье поколение
• четвертое поколение
• пятое поколение
• шестое поколение

Первое поколение — ЭВМ на основе электронных ламп.

ЭВМ на основе электронных ламп появились в 1940-х гг. Использование электронной лампы в качестве основного эле­мента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы около 7 см, машины были огромных размеров. Лампы часто выходили из строя, а так как в машине их было 15— 20 тыс., то для поиска и замены поврежденных ламп требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количе­ство теплоты, и для эксплуатации такой ЭВМ требовались специ­альные системы охлаждения.

Примерами машин первого поколения могут служить Mark 1, ENIAC

Второе поколение — ЭВМ на полупроводниковых приборах.

С появлением транзисторов в середине 1950-х гг. на смену первому поколению ЭВМ пришли ЭВМ второго поколения, постро­енные на полупроводниковых приборах.

Первые ЭВМ на основе транзисторов появились в конце 1950-х гг., а к середине 1960-х гг. были созданы более компактные внешние устройства.

Созданию транзистора предшествовала упорная, почти 10-летняя работа. Применение транзисторов в качестве основного элемента в ЭВМ привело к уменьшению размеров ЭВМ в сотни раз и к повышению их надежности.

Главной способностью транзистора яв­ляется то, что он один способен заменить 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало теплоты и почти не потреблять электроэнергию.

Третье поколение — ЭВМ на интегральных схемах.

Использование интегральных схем для построения ЭВМ способствовало появле­нию машин третьего поколения.

Интегральная схема, которую также называют кристаллом, пред­ставляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью около 10 мм 2 .

Первые интегральные схемы (ИС) появились в 1964 г. Ведь интегральная схема одна способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь уже заменил 40 электронных ламп.

Четвертое поколение — ЭВМ на больших интегральных схе­мах.

Развитие микроэлектроники привело к возмож­ности размещать на одном-единственном кристалле тысячи инте­гральных схем. Так, уже в 1980 г. центральный процессор неболь­шого компьютера можно было разместить на кристалле площадью всего в четверть квадратного дюйма (1,61 см 2 ). Началась эпоха микрокомпьютеров.

Пятое поколение — в 1990-х гг. стали выпускаться ЭВМ с многими десятками па­раллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одно­временно выполняющих десятки последовательных команд про­граммы.

Шестое поколение — оптоэлектронные ЭВМ с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.