ЭВМ 2-го поколения
Создание в США 1 июля 1948 г. первого транзистора не предвещало нового этапа в развитии ВТ и ассоциировалось, прежде всего, с радиотехникой. На первых порах это был скорее опытный образец нового электронного прибора, требующий серьезного исследования и доработки. И уже в 1951 г. Уильям Шокли продемонстрировал первый надежный транзистор. Однако стоимость их была достаточно велика (до 8 долларов за штуку), и только после разработки кремниевой технологии цена их резко снизилась, способствовав ускорению процесса миниатюризации в электронике, захватившего и ВТ.
Применение кремниевых полупроводниковых приборов позволило добиться прорыва в области построения сложных вычислительных систем вследствие технологических и технических преимуществ полупроводников, по сравнению с электронными лампами.
Полупроводниковый транзистор меньше, быстрее, дешевле, проще в изготовлении и менее подвержен механическим воздействиям, нежели вакуумный триод. Указанные преимущества и определили улучшение характеристик ЭВМ при переходе от первого поколения ко второму. В табл. 2.3. приведены сравнительные характеристики ЭВМ 1 и второго поколений.
Табл. 2.3.
Но гораздо более существенным фактором является срок службы ЭВМ. Для ЭВМ первого поколения в основном он определялся сроком службы радиолампы. А он определяется интенсивностью отказов
l = 10-5 ч-1
Т.е. из 100 000 радиоламп одна откажет за время 1 час. Или другими словами, срок службы одной радиолампы равен
Т = 1/l = 105 ч
Это много. Действительно, если считать, что в сутках примерно по 25 ч, то это 4 000 дней, или примерно 12 лет работы до отказа. Это неплохо.
Но когда вместо 5-20 радиоламп, установленных в телевизоре или радиоприемнике, в ЭВМ одновременно должны работать 18 000 радиоламп, ситуация резко меняется. Все радиолампы служат 12 лет, но выходят из строя случайно, в любой момент времени. И выход хоть одной радиолампы из строя приводит к выходу всего устройства. В этом случае для всего устройства можно записать:
lобщ = N * T = 18 000 * 10-5 = 0,18 ч-1
А срок службы всего устройства равен
Т общ = 5 ч
Т.е. срок службы ЭНИАКа всего 5 ч! В среднем через каждые 5 ч какая-то радиолампа выходила из строя. Найти из 18 000 радиоламп неработающую не так-то просто. А после того, как она найдена, надо её заменить, и провести проверку ЭВМ на работоспособность. На всё это уходило ещё около 5 ч.
Но нам надо делать более сложные ЭВМ. Если мы усложним её так, что в ней будет в 10 раз больше радиоламп, срок службы уменьшится в 10 раз, т.е. будет равен 0,5 ч. А на ремонт будет уходить ещё больше времени. Это – катастрофа количеств.
Всё дальнейшее развитие электроники связано с борьбой с катастрофой количеств. Для этого надо было понизить интенсивность отказов радиолампы. Но радиолампа – сложное устройство. Во-первых, внутри неё глубокий вакуум, если он потеряется, анодный ток радиолампы понизится из-за соударений электронов с атомами воздуха и с ионами, получившимися в результате этих столкновений. Сетка лампы – это проволочная спираль, которая намотана вокруг катода. Она слабая, не выдерживает перегрузок, вибраций. Нить накала нагрета до высокой температуры, поэтому испускает не только электроны, но и довольно много атомов, т.е. нить всё время испаряется. Устранить все эти недостатки и повысить срок службы не удалось.
Транзистор представляет собой твердый кристалл в металлическом или пластмассовом корпусе с тремя припаянными к кристаллу выводами. Вакуума нет, стеклянной колбы – тоже, ажурной конструкции анод – сетка – катод – также не имеется. Интенсивность отказов не определяется полупроводниковой структурой, а в основном зависит от числа контактов. Поэтому интенсивность отказов транзистора существенно ниже этого параметра для лампы - примерно 10-7 ч-1 . Соответственно, при таком же количестве элементов, надежность ЭВМ на транзисторах в 100 раз выше, чем надежность ламповой ЭВМ. 5 часов безотказной работы и 500 часов – это две совершенно разные ситуации!
Конечно же, столь радужная картина не совсем соответствует действительности. Во-первых, если надежность самого слабого звена в системе повысить в 100 раз, надежность системе в 100 раз не повысится. Просто слабым звеном станет другой узел или элемент. Во-вторых, увеличение надежности ЭВМ дало возможность создавать более мощные и сложные ЭВМ, с большим числом элементов, что привело к снижению надежности этих ЭВМ. Катастрофа количеств была не преодолена, а просто отсрочена. Через 7-10 лет развития ЭВМ второго поколения вновь была «достигнута» граница, за которой время работы ЭВМ стало меньше, чем время ее простоя в ремонте. Второе поколение ЭВМ исчерпало свои возможности.
Стоит отметить, что замена электронных ламп на новые элементы шла не только в одном направлении (использование транзисторов). Были предприняты и другие способы усовершенствования ЭВМ. Так в Японии в 1958 году серийно выпускались ЭВМ на параметронах.
Параметрон – это электронный элемент, принцип действия которого основан на особенностях параметрического возбуждения и усиления электрических колебаний. Как описано в большой советской энциклопедии, простейший параметрон представляет собой колебательный контур, настроенный на частоту f0. При периодическом изменении под воздействием сигнала накачки с частотой fn, равной примерно 2*f0, одного из энергоёмких параметров контура, в нём возникает колебание с частотой fm = fn/2, когерентное по отношению к возбуждающему колебанию. При этом фаза возбуждённых в параметроне колебаний может принимать одно из двух отличающихся на 180° значений, условно обозначаемых (0, p), и сколь угодно долго находиться в этом состоянии. Именно эта способность параметрона и позволяет использовать его в качестве основы для построения ЭВМ.
Также были выпущены ЭВМ (в СССР – Сетунь, а во Франции - КАБ-500), использующие вместо электронных ламп магнитные элементы (ферритовые сердечники) в качестве логических элементов и запоминающих устройств.
Однако эти направления развития ЭВМ не выдержали конкуренции с транзисторами, так как транзисторы были более технологическими, легче подвергались миниатюризации и позволяли использовать технологии интегральных схем.
Переход от ламп к полупроводниковым приборам произошел, конечно же, не одномоментно, существовал ряд машин «промежуточного» класса, в конструкцию которых входили и лампы и полупроводниковые диоды и транзисторы (хотя, если говорить честно, полностью «ламповых» ЭВМ просто не было – в том же ЭНИАКЕ на 18000 ламп приходилось более 7000 кремниевых диодов.
Одной из интересных машин, которую иногда называют первой ЭВМ второго поколения, является SEAC.
Разработка SEAC началась в июне 1948 г. под руководством Сэмюэля Н. Александера, начальника лаборатории электронных вычислительных машин NBS. Его правой рукой был Ральф Дж. Слуц - один из создателей принстонской ЭВМ IAS, перешедший в 1948 г. в NBS.
Структура SEAC в целом повторяла структуру EDVAC, однако схемотехника машины была совершенной иной. Впервые в мире:
- в АУ использовались так называемые динамические триггеры на пентодах и импульсных трансформаторах, что позволило значительно ускорить выполнение арифметических операций;
- логические цепи были построены исключительно на кристаллических (германиевых) диодах (для усиления сигнала применялись лампы). Такое решение, за редким исключением, стало типовым для последующих ЭВМ.
Нельзя не отметить и важную архитектурную новинку: в машине было два программных счетчика, и содержимое отдельного разряда в командном слове определяло, какой из них должен был быть использован для выборки следующей команды. Это упрощало процедуру программирования (при относительной адресации, обращении к подпрограммам и т. д.).
SEAC была машиной синхронного действия с тактовой частотой в 1 МГц и поразрядно-последовательным АУ, что определялось использованием в качестве внутренней памяти 64 РУЛЗ (общей емкостью в 512 45-разрядных двоичных чисел). Ввод и вывод информации производился с помощью телетайпа. Машина могла работать в трех- или четырехадресном формате (в первом случае осуществлялось естественное управление вычислительным процессом, во втором - четвертый адрес определял местонахождение следующей команды в программной последовательности). Учитывая промежуточный характер SEAC, разработчики ограничили ее командный набор семью операциями над числами с фиксированной запятой: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение, команды ввода и вывода.
SEAC содержала 747 ламп и 10,5 тыс. диодов (после модернизации - соответственно 2300 ламп и 24 тыс. диодов), а среднее время сложения и умножения составляло 0,864 и 2,98 мс.
То, что диодов в этой ЭВМ больше, чем ламп, а также то, что именно на диодах были построены логические цепи Этой ЭВМ и позволяет некоторым исследователям, относить ее к ЭВМ второго поколения.
Впервые машина выполнила тестовую задачу 7 апреля 1950 г., примерно через месяц после этого осуществила первый практический расчет (вычисление траектории прохождения лучей через оптическую систему), а 20 июня состоялось ее официальное представление. SEAC - первая практически эксплуатировавшаяся американская ЭВМ с хранимой программой - работала по 20 ч в сутки семь дней в неделю вплоть до 23 апреля 1964 г.
Правда, обслуживающий персонал ежедневно тратил 4 ч на профилактику машины. Она, в частности, проводилась и так (по воспоминаниям Ральфа Слуца): "У нас было больше проблем из-за плохой пайки, чем из-за ламп, диодов или линий задержки. Я хорошо помню, что использовались два способа обнаружения ошибок (debugging)... Мы запускали тестовую программу, брали нечто вроде деревянной ложки и, идя вдоль машины, обстукивали ложкой все, что попадалось на глаза. Если программа останавливалась, нам иногда удавалось найти бракованный узел. Когда же такой тест проходил благополучно, мы применяли метод "стандартного прыжка": во время работы программы подпрыгивали как можно выше (сантиметров на пятнадцать) на деревянном полу, на котором была установлена машина, и пытались при приземлении как можно сильнее ударить по полу. Благополучное окончание такого испытания означало, что можно было приступать к решению задачи".
Другой оригинальный способ контроля заключался в следующем. К одному из регистров машины через усилитель подключался динамик. По доносящемуся из него набору звуков оператор или инженер, обслуживающий машину, могли судить о сбоях в ее работе, например о зацикливании программы или о ее "зависании" и т. д.*1 Аналогичный "звуковой контроль" использовался затем во многих ламповых ЭВМ - скажем, в JONNIAC и ORDVAC.
Многие литературные источники сообщают, что второе поколение начинается с ЭВМ RCA-501, появившейся в 1959 г. в США и созданной на полупроводниковой элементной базе. Между тем, еще в 1955 г. была создана бортовая транзисторная ЭВМ для межконтинентальной баллистической ракеты ATLAS. Новая элементная технология позволила резко повысить надежность ВТ, снизить ее габариты и потребляемую мощность, а также значительно повысить производительность. Это позволило создавать ЭВМ с большими логическими возможностями и производительностью, что способствовало распространению сферы применения ЭВМ на решение задач планово-экономических, управления производственными процессами и др. В рамках второго поколения все более четко проявляется дифференциация ЭВМ на малые, средние и большие. Конец 50-х годов характеризуется началом этапа автоматизации программирования, приведшим к появлению языков программирования Fortran (1957 г.), Algol-60 и др.
В 1954 году был изготовлен первый в мире компьютер на полупроводниковых транзисторах и диодах без использования электронных ламп - TRADIC(TRAnisitor Digital Computer), данный компьютер был разработан компанией Bell Labs для ВВС США. В компьютере было 700 - 800 транзисторов и 10000 германиевых диодов. За 2 года было изготовлено всего 17 компьютеров TRADIC.
Рис. 2.22. TRADIC
Анонсированный в 1954 году, IBM 704 стал первой крупномасштабной серийно выпускаемой компьютерной системой, использовавшей полностью автоматические арифметические операции с плавающей запятой и память на магнитных сердечниках, разработанную для Whirlwind.
Память на магнитных сердечниках (ферритовая память) состояла из крошечных металлических колец размером примерно с булавочную головку, через которые проходили провода, которые можно было намагничивать в любом направлении, придавая логическое значение 0 или 1.
В качестве долговременного запоминающего устройства в 704 использовался магнитный барабан. Для дополнительного хранения данных использовались ленты, способные вмещать по пять миллионов символов.
TX-0, также упоминаемый как tixo — один из первых компьютеров созданных полностью на транзисторной базе и имевший для своего времени огромный объём памяти на магнитных сердечниках в 64К 18-битных слов. TX-0 был введен в эксплуатацию в 1956 году и непрерывно использовался до 1960-х годов.
Спроектирован в Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института по большей части как эксперимент в проектировании транзисторных устройств и построении очень больших систем на основе памяти на магнитных сердечниках, TX-0 был по существу транзисторной версией не менее известного компьютера Whirlwind, также созданного в Лаборатории Линкольна. В то время как Whirlwind занимал целый этаж большого здания, TX-0 умещался в одной довольно небольшой комнате и всё равно был немного быстрее. TX-0, как и Whirlwind, был оборудован системой индикации, имея для этого в корпусе 12-дюймовый осциллограф, прицепленный к выводам процессора, позволявший отображать 512 на 512 точек в массиве 7 на 7. Возглавлял проект Кен Олсен, впоследствии основатель Digital Equipment Corporation.
TX-0 был полностью транзисторным 16-битным компьютером с 16-битной адресацией и 16-битными инструкциями. Слова его памяти имели длину в 18 бит, что допускало запись 16 бит данных и 2 бит инструкций. Комбинируя эти 2 бита, можно было вызывать 4 возможные инструкции, среди которых были сохранение, сложение и команда перехода в базовом наборе. Четвёртая инструкция «выполнять», брала дополнительные операнды и позволяла доступ к числам «микропорядка», которые могли использоваться отдельно или совместно для предоставления многих других полезных функций. Операция сложения занимала 10 микросекунд.
Рис. 2.23. Компьютер ТХ-0.
В периферийное оборудование TX-0 входил так называемый флексорайтер - устройство, подобное пишущей машинке, которое одновременно с перфорированием кодовых отверстий на бумажной ленте печатало символы. В действительности флексорайтеры изначально предназначались для печати писем-формуляров, предшественников современной массовой официальной почты с ее псевдоперсональными обращениями. Специальные коды, пробитые на' перфоленте, автоматически останавливали машинку во время печати, давая возможность оператору вставить конкретные имена, адреса и приветствия в идентичные, составленные по шаблону письма.
Рис. 2.24. Флексорайтер
Рис. 2.25. IBM 704
Компьютер 704 был довольно быстрым и мог выполнять 4000 целочисленных умножений или делений в секунду. Впрочем, как мы уже говорили, 704 мог изначально выполнять арифметические операции с плавающей запятой: почти 12 000 сложений или вычитаний чисел с плавающей запятой в секунду. Более того, 704 применял индексные регистры, которые не только сильно ускоряли ветвления, но и снижали время написания программы (поскольку теперь присутствовала их аппаратная реализация).
Эта ЭВМ должна быть также отнесена к ЭВМ «промежуточного» поколения, т.к. она использовала и лампы и полупроводники. В дальнейшем фирма IBM сделала ставку на транзисторы.
Первым "скороспелым" детищем научных исследований IBM был проект STRETCH (IBM 7030), обошедшийся компании в 20 млн. долл. и потерпевший неудачу, тем не менее IBM извлекла из него полезные уроки и бесценный опыт. В этой ЭВМ были собраны практически все известные на 1960 год достижения в области вычислительной техники. Широкое использование принципов параллельной работы, большой набор команд (свыше 600), огромное количество высококачественных элементов (169000 транзисторов) позволили достичь небывалой производительности. Так операция сложения 64-разрядных чисел с плавающей запятой выполнялась за 1,5 мкс, а операция умножения – за 2,7 мкс. Всего было выпущено 5 экземпляров этой машины.
В 1959 г. IBM выпустила IBM 1401 - коммерческую машину на транзисторах. Она была поставлена более чем в 10 тысячах экземпляров.
Рис. 2.26. IBM 1401.
В том же году IBM создала свой первый мэйнфрейм модели IBM 7090, полностью выполненный на базе транзисторов, с быстродействием 229 тыс. оп./c.
Новая разработка была находкой для военно-воздушных сил США, которые создавали систему раннего предупреждения о нападении баллистических ракет.
А в 1964 году авиакомпанией SABRE на основе двух 7090-х создается автоматизированная система продажи и бронирования авиабилетов в 65 городах мира.
В Англии транзисторная ЭВМ «Elliot-803» была выпущена в 1958 году, в ФРГ — «Simens-2002» и в Японии H-1 — в 1958 году, во Франции и Италии — в 1960 году. В СССР группа разработчиков во главе с Е. Л. Брусиловским в 1960 году в НИИ математических машин в Ереване завершила разработку полупроводниковой ЭВМ «Раздан-2», её серийный выпуск начат в 1961 году.
Компьютеры второго поколения обычно состояли из большого количества печатных плат, каждая из которых содержала от одного до четырёх логических вентилей или триггеров.
В 1960 году DEC выпустила свою первую модель — PDP-1, предназначенную для использования техническим персоналом в лабораториях и для исследований.
Рис. 2.27. PDP-1.
PDP-1 имел 18-битное машинное слово и 4 килослова основной памяти (эквивалентно 9 КБ) с возможностью расширения до 64 килослов (144 КБ). Цикл перемагничивания памяти на ферритовых элементах занимал 5 микросекунд (примерно соответствуеттактовой частоте 200 КГц); соответственно большинство арифметических операций занимали 10 микросекунд (100 000 операций в секунду), потому что они имели два обращения к памяти: одно для инструкции, другое для операндов.
В 1961 году Burroughs Corporation выпустила B5000, первый двухпроцессорный компьютер с виртуальной памятью. Другими уникальными особенностями были стековая архитектура, адресация на основе дескрипторов, и отсутствие программирования напрямую на языке ассемблера.
Применение полупроводников позволило улучшить не только центральный процессор, но и периферийные устройства. Второе поколения устройств хранения данных позволяло сохранять уже десятки миллионов символов и цифр. Появилось разделение на жёстко закреплённые (fixed) устройства хранения, связанные с процессором высокоскоростным каналом передачи данных, и сменные (removable) устройства. Замена кассеты дисков в сменном устройстве требовала лишь несколько секунд. Хотя ёмкость сменных носителей была обычно ниже, но их заменяемость давала возможность сохранения практически неограниченного объёма данных. Магнитная лента обычно применялось для архивирования данных, поскольку предоставляла больший объём при меньшей стоимости.
Во многих машинах второго поколения функции общения с периферийными устройствами делегировались специализированным сопроцессорам. Например, в то время как периферийный процессор выполняет чтение или пробивку перфокарт, основной процессор выполняет вычисления или ветвления по программе. Одна шина данных переносит данные между памятью и процессором в ходе цикла выборки и исполнения инструкций, и обычно другие шины данных обслуживают периферийные устройства. На PDP-1 цикл обращения к памяти занимал 5 микросекунд; большинство инструкций требовали 10 микросекунд: 5 на выборку инструкции и ещё 5 на выборку операнда.
Первыми советскими серийными полупроводниковыми ЭВМ стали «Весна» и «Снег», выпускаемые с 1964 по 1972 год. Пиковая производительность ЭВМ «Снег» составила 300 000 операций в секунду. Машины изготавливались на базе транзисторов с тактовой частотой 5 МГц. Всего было выпущено 39 ЭВМ.
«Се́тунь» — малая ЭВМ на основе троичной логики, разработанная в вычислительном центре Московского государственного университета в 1959 г. Единственная в своём роде ЭВМ, не имеющая аналогов в истории вычислительной техники.
Руководитель проекта — Н. П. Брусенцов, основные разработчики: Е. А. Жоголев, В. В. Веригин, С. П. Маслов, А. М. Тишулина. Разработка машины была предпринята по инициативе и осуществлялась при активном участии виднейшего советского математика С. Л. Соболева.
Казанским заводом математических машин было произведено 46 компьютеров Сетунь, 30 из них использовались в университетах СССР.
Рис. 2.28. Опытный экземпляр ЭВМ «Сетунь»
На основе двоичной ферритодиодной ячейки Гутенмахера, которая представляет собой электромагнитное бесконтактное реле намагнитных усилителях трансформаторного типа, Н. П. Брусенцов разработал троичную ферритодиодную ячейку[1][2], которая работала в двухбитном троичном коде, т.е. один трит записывался в два двоичных разряда, четвёртое состояние двух двоичных разрядов не использовалось. Состояние каждого разряда на пульте управления отображалось двумя лампочками, четвёртая комбинация (1,1) не использовалась.
Технические характеристики