ЕОМ другого покоління - "Все про Hi-Tech"

Друге покоління ЕОМ створювалося в період з 1955 по 1964 роки. Насправді, чітко обмежувати рамки поколінь складно, так як в один і той же час випускалися ЕОМ, що відносяться до різних поколінь, та й сам перехід від покоління до покоління було не різким, а поступовим. Спочатку замінялися одні елементи ЕОМ, потім - інші, і так, поступово, за кілька років, здійснювався перехід.

1. Нитка розжарювання в електронних лампах з часом втрачає свої емісійні властивості і перегорає. В середньому, термін служби лампи не перевищував 10 000 годин. Таким чином, в ЕОМ, що складається з 104 електронних ламп, в середньому, кожну годину, виходила з ладу одна електронна лампа. Настільки низькі показники надійності були головним болем розробників, змушували застосовувати складні і дорогі способи підвищення надійності, і сильно стримували зростання продуктивності ЕОМ. Для порівняння, транзистори в той час мали термін служби, що перевершує термін служби електронних ламп в тисячі разів.

2. ЕОМ на електронних лампах вимагають потужних джерел живлення, при цьому майже 75% енергії витрачається на теплових втратах. Це, в свою чергу, призводить до необхідності організації дорогих і складних систем охолодження. Транзистори споживають на порядок менше енергії і слабкіше гріються.

3. Великі габарити електронних ламп. Наймініатюрніші радіолампи не дозволяли в одному кубічному дециметр розмістити понад 1000 елементів, в той же час використання транзисторів дозволяло на порядок збільшити щільність монтажу.

4. радіола - це крихкий елемент. Його установка вимагає обережності й акуратності, і з великими труднощами піддається автоматизації. У той же час транзистори - набагато більш надійні і міцні, що дозволяє легко автоматизувати процес їх виробництва і монтажу, а це призводить до зниження собівартості транзисторів і ЕОМ в цілому.

Таким чином, основою ЕОМ другого покоління стало використання нової елементної бази - напівпровідникових транзисторів (тріодів), що складають основну частину конструкції ЕОМ.

Історія створення транзисторів почалася ще 22 жовтня 1925 року, коли Юлієм Едгаром Лилиенфельд був зареєстрований патент на принцип роботи польового транзистора. Теорія роботи польових транзисторів - простіше біполярних, тому обгрунтована і запатентована вона була значно раніше біполярних транзисторів. У загальному випадку принцип дії польового транзистора аналогічний роботі електронних ламп. Исток в польовому транзисторі подібний катода вакуумного тріода, затвор - сітці, стік - анода. Однак, труднощі в практичній реалізації польових транзисторів дозволили створити діючу модель лише в 1960 році, значно пізніше створення біполярного транзистора, і тільки в дев'яностих роках технологія польових транзисторів стала домінувати над біполярними.

Перший діючий транзистор був біполярним, і створили його в 1947 році провідні фахівці Вільям Шоклі, Джон Бардін і Уолтер Браттейн з фірми «Bell Labs». Офіційна демонстрація пристрою відбулася 23 грудня 1947 року, а саме ця дата вважається офіційним днем ​​винаходу транзистора.

Перший біполярний транзистор був прилад, в якому два металевих контакту з'єднувалися з бруском з полікристалічного германію. Його копія зображена на фотографії справа.

Таким чином, основою ЕОМ другого покоління стали біполярні транзистори, що представляють собою три послідовно розташовані шари напівпровідників: емітера, бази і колектора.

Напівпровідники - це речовини, питомий опір яких змінюється в залежності від температури, наявності домішок або зміною освітленості. При побудові транзисторів використовували напівпровідники з різними домішковими проводимостями.

Домішки бувають двох типів - донорной і акцепторной. При додаванні донорної домішки в напівпровіднику утворюються «зайві» електрони. Такі напівпровідники називаються напівпровідниками n-типу. Наприклад, для кремнію з валентністю n = 4 донорной домішкою є миш'як з валентністю n = 5. Кожен атом домішки миш'яку призведе до утворення одного електрона провідності.

При додаванні акцепторной домішки в напівпровіднику утворюються «зайві» частинки з позитивним зарядом, чисельно рівним заряду електрона. Такі частинок називаються дірками, а напівпровідники з зайвими дірками називаються напівпровідниками p-тип. Наприклад, для кремнію акцепторними домішками є індій з валентністю n = 3. Кожен атом індію призведе до утворення зайвої «дірки».

При контакті двох напівпровідників різного типу, електрони з напівпровідника n-типу починають переходити в напівпровідник p-типу, а дірки з напівпровідника p-типу - в напівпровідник n-типу. Однак, як тільки прикордонний шар напівпровідника n-типу «насититься» дірками, а прикордонний шару напівпровідника р-типу насититься електронами, процес дифузії дірок і електронів припиниться через утворення, так званого, замикаючого шару.

Але варто подати на напівпровідник n-типу негативна напруга, а на напівпровідник р-типу - позитивне, як замикаючий шар зруйнується, і дифузія дірок і електронів відновиться. Якщо ж на напівпровідник n-типу подати позитивне напруга, а на p-типу - негативне, то замикаючий шар збільшиться. Тобто, при подачі на колектор логічної одиниці (наприклад, напруга -5 вольт), на емітер можемо отримати або логічний нуль (напруга менше 1 вольта), або логічну одиницю (напруга 5 вольт). Логічну одиницю отримуємо, якщо на базу подаємо позитивне напруга (наприклад, 5 вольт), інакше на емітер маємо логічний нуль. На основі цих елементів і будувалися ЕОМ другого покоління.

Як бачите, принцип роботи напівпровідникових транзисторів не сильно відрізняється від принципу роботи електронних ламп. Однак, їх використання дозволило значно удосконалити ЕОМ без істотних змін в структурній схемі. Так продуктивність ЕОМ зросла приблизно на два порядки, а габарити зменшилися на порядок. Значно (на кілька порядків) підвищилася надійність. При цьому вартість ЕОМ знизилася!

Цю ситуацію добре ілюструє перехід від лампових ЕОМ на напівпровідникові ЕОМ, виконаний фірмою IBM в лінійці моделей 709 і 7090. IBM 709 - це лампова ЕОМ, створена в серпні 1958 року. IBM 7090 - це напівпровідникова ЕОМ, створена в червні 1960, схожа за структурою з IBM 7090. При цьому напівпровідникова ЕОМ була більш, ніж в 6 разів, швидше за свого лампового побратима.

Для порівняння, в таблиці зліва наведені усереднені дані по продуктивності і габаритів для ЕОМ першого і другого покоління. Дані взяті з книги «Розвиток обчислювальних машин», автори Апокін І.А., Мейстров Л.Є.

Варто відзначити, що заміна електронних ламп на нові елементи йшла не тільки в одному напрямку (використання транзисторів). Були вжиті й інші способи удосконалення ЕОМ. Так в Японії в 1958 році серійно випускалися ЕОМ на параметронах.

Параметрон - це електронний елемент, принцип дії якого заснований на особливостях параметричного збудження і посилення електричних коливань. Як описано в великої радянської енциклопедії, найпростіший параметрон є коливальний контур, настроєний на частоту f0. При періодичному зміні під впливом сигналу накачування з частотою fn, що дорівнює приблизно 2 * f0, одного з енергоємних параметрів контуру, в ньому виникла підозра з частотою fm = fn / 2, когерентне по відношенню до збудливій коливання. При цьому фаза збуджених в параметроне коливань може приймати одне з двох відмінних на 180 ° значень, умовно позначаються (0, p), і як завгодно довго перебувати в цьому стані. Саме ця здатність параметрона і дозволяє використовувати його в якості основи для побудови ЕОМ.

Також були випущені ЕОМ (в СРСР - Сетунь, а у Франції - КАБ-500), що використовують замість електронних ламп магнітні елементи (ферритові сердечники) в якості логічних елементів і пристроїв, що запам'ятовують.

Однак, ці напрямки розвитку ЕОМ не витримали конкуренції з транзисторами, так як транзистори були більш технологічними, легше піддавалися мініатюризації і дозволяли використовувати технології інтегральних схем.

Істотне зростання продуктивності і підвищення надійності, зниження маси, габаритів і споживаної потужності значно підвищили попит на ЕОМ і розширили сферу їх застосування. З'явилися передумови для використання ЕОМ в авіації, космонавтиці, машинобудуванні та інших швидко розвиваються областях науки і техніки.

Намітилися явні тенденції до значного зростання парку ЕОМ і їх потужностей. На графіку праворуч наведені тенденції розвитку парку ЕОМ для США за даними, наведеними в книзі «Розвиток обчислювальних машин», автори Апокін І.А., Мейстров Л.Є.

При цьому основні тенденції розвитку ЕОМ були пов'язані з удосконаленням елементної бази, тому структурна схема ЕОМ, зображена на малюнку нижче, не зазнала кардинальних змін, в порівнянні зі структурною схемою ЕОМ першого покоління. Однак, намітилися тенденції до розпаралелювання обчислювальних ресурсів ЕОМ і багатопрограмного принципом роботи.

ЕОМ, найчастіше, містили кілька паралельно працюючих пристроїв управління, кілька оперативних запам'ятовуючих пристроїв і навіть кілька арифметико-логічних блоків. Причому часто пристрої, що виконують одну і ту ж функцію, могли бути, як однотипні, так і спеціалізовані. Наприклад, могло бути одне центральне арифметико-логічний пристрій і кілька допоміжних пристроїв, оптимізованих для вирішення специфічних завдань.

Так в ЕОМ «Ханіуелл-800», розробленої в США в 1960 році, використовувалося кілька паралельно працюють оперативних запам'ятовуючих пристроїв, що підкоряються одного пристрою керування. Це дозволяло значно компенсувати повільну роботу схем пам'яті на магнітних сердечниках і більш ефективно використовувати потенціал логічних схем. А в ЕОМ «Гамма-60», створеної у Франції в 1960 році, було кілька пристроїв управління, які працюють з одним блоком оперативної пам'яті. Подібна структурна схема вигідна при складною і тривалою обробці даних, порівняно невеликих обсягів. ЕОМ RW-400, розроблена в США в 1960 році фірмою «Рамо Вулдрідж», була забезпечена декількома незалежними блоками оперативної пам'яті і декількома пристроями управління. Така структурна схема найбільшою мірою відповідала принципам паралельної роботи і дозволяла значно підвищити продуктивність ЕОМ.

Структурна схема ЕОМ другого покоління, що відображає тенденції розвитку обчислювальної техніки, зображена на малюнку знизу.

На схемі:

УВВ - пристрій вводу;
УВив - пристрій виведення;
ОЗУ - одне або кілька оперативних запам'ятовуючих пристроїв;
АЛУ - одне або кілька арифметико-логічних пристроїв;
УУ - одне або кілька пристроїв управління;
ВЗП - зовнішній пристрій.

Зміна структури ЕОМ в сторону використання різних принципів паралелізму призвело до створення ряду вимог, що пред'являються до багатопрограмних ЕОМ, чітко сформульованих Б.Л. Райлі в книзі «Communs ACM»:

1. Програми, що вводяться в ЕОМ або збережені в ПЗУ, повинні бути незалежні від абсолютних машинних адрес.

2. Повинна бути система пріоритетів програм, за допомогою якої можна з мінімальною затримкою вибирати відповідну програму, коли з'являється можливість вибору між декількома програмами.

3. Повинна бути передбачена система, яка зберігала б поточний стан кожної виконуваної програми.

4. Будь-який регістр або будь-який інший елемент системи, відсутня в даний момент часу, повинен бути доступний для будь-якої іншої паралельно виконуваної програми.

5. Повинна бути забезпечена система переривань виконується програми методом опитування (пристрій управління перемикається відповідно до стану опитуваних пристроїв) або методом припинення (сигнали з інших пристроїв надходять в пристрій управління і викликають відповідну передачу управління іншій програмі).

6. Повинні існувати прямі зв'язки між двома будь-якими пристроями системи, які можуть обмінюватися інформацією. Не слід використовувати якесь третє пристрій в якості проміжного елемента при обміні.

7. Система повинна бути організована таким чином, щоб здійснення спостереження і керування, необхідних для виконання декількох програм, не вимагало б зовсім або вимагало б мінімум додаткового часу.

8. Обсяг перетворення і пересилань даних усередині системи повинен бути зведений до мінімуму.

Ускладнення структури ЕОМ другого покоління, можливість розпаралелювання задач, ідеї мультипрограммирования, розширення сфери застосування зробили процес програмування складної, трудомісткою і затребуваною роботою. Були потрібні інструменти для полегшення цього завдання і зменшення часу розробки програм. Тому стали бурхливо розвиватися алгоритмічні мови програмування. До кінця шістдесятих років їх налічувалося вже понад 1000. Серед них найбільш відомими були:

Алгол, розроблений в 1957 році і орієнтований на науково-технічні розрахунки;

Фортран, розроблений фахівцями фірми IBM 1957 році для задач чисельного аналізу. Ця мова програмування широко використовується і до цього дня;

Кобол, розроблений в США в 1958 році, орієнтований на вирішення економічних завдань;

Лісп, розроблений в 1958 році в США і орієнтований на символьну обробку даних, і процеси прийняття рішень. На даний момент широко використовується;

ИПЛ, розроблений в США в Массачусетському технологічному інституті в 1960 році. Дозволяв маніпулювати словами і виразами на природній мові. У цій мові вперше з'явилося поняття списку;

ПЛ-1, розроблений фірмою IBM в 1960 році. Універсальна мова програмування.

Широкий розвиток мов програмування ще більше сприяло популярності ЕОМ і їх впровадження в усі нові і нові області застосування. Перелічимо найбільш значимі розробки в області обчислювальної техніки, що відносяться до другого покоління ЕОМ:

ТХ-0 - перший експериментальний комп'ютер на транзисторах, розроблений в 1953 році в Массачусетському технологічному інституті (в 1955 році був введений в експлуатацію).

TRADIC - одна з перших транзисторних ЕОМ, створена в США в 1955 році. До її складу входило 800 транзисторів і 11 000 германієвих діодів.

Stretch (IBM-7030), розроблена в 1960 роках в США фірмою IBM, вплинула на розвиток обчислювальної техніки. У цій ЕОМ були зібрані практично всі відомі на 1960 році досягнення в області обчислювальної техніки. Широке використання принципів паралельної роботи, великий набір команд (понад 600), величезна кількість високоякісних елементів (169000 транзисторів) дозволили досягти небувалої продуктивності. Так операція додавання 64-розрядних чисел з плаваючою комою виконувалася за 1,5 мкс, а операція множення - за 2,7 мкс. Всього було випущено 5 екземплярів цієї машини.

FX1, рразработана линкольновской лабораторією технологічного інституту в квітні 1961 року. Основною метою розробки було досягнення максимальних обчислювальних можливостей, для чого використовувалися найпередовіші досягнення в технології. Наприклад, вперше, в якості основного пристрою, що запам'ятовує була використана пам'ять на магнітних плівках.

CDC 6600 - ЕОМ, розроблена фірмою Control Data в 1960 році на замовлення комісії з атомної енергетики США. У цій ЕОМ широко використовувалися принципи паралельної обробки даних, для якої призначався центральний процесор з запам'ятовуючим пристроєм на 131 тисячу слів і десять периферійних обчислювачів, кожен з яких був забезпечений своєю пам'яттю на 4096 слiв. До випуску перших ЕОМ на інтегральних схемах (1065 рік) CCD-6600 залишалася найшвидкодіючою ЕОМ у світі. Її продуктивність перевищувала три мільйони операцій в секунду.

Раздан 2, створена в СРСР в 1961 році. ЕОМ призначалася для науково-технічних та інженерних розрахунків. Продуктивність цієї ЕОМ становила приблизно 5000 операцій в секунду. Оперативний пристрій було виконано на феритових сердечниках, зовнішній пристрій - накопичувач на магнітній стрічці.

Мінськ-2 - ЕОМ, розроблена Мінським заводом обчислювальної техніки ім. Серго Орджонікідзе в 1963 році. Вона призначалася для вирішення науково-технічних і планово-економічних завдань.

СВІТ - мала електронна цифрова обчислювальна машина, розроблена в Інституті кібернетики АН УРСР під керівництвом В. М. Глушкова в 1965 році.

Бесма-6 - ЕОМ, Створена в 1966 году в СРСР на елементній базі іншого поколение. До її складу входило 60 000 транзисторів і 200 000 напівпровідникових діодів, а продуктивність досягала 1 мільйона операцій в секунду.

Список можна продовжувати ще дуже довго, і все це говорить про те, що ЕОМ другого покоління показали, що майбутнє людства тісно пов'язане з розвитком і використанням обчислювальної техніки. З цього моменту ЕОМ стали невід'ємною частиною життя людства.

Список використаної літератури

1. Історія розвитку обчислювальної техніки. Ланина Е.П. ИрГТУ, Іркутськ - 2001 р

2. Розвиток обчислювальної техніки. Апокін І.А. М., "Наука", 1974 г.

3. Хімія 8-9 клас. Жуков С.Т.

4. Большпя радянська енциклопедія. Вид. «Радянська енциклопедія», 1978 г.