Е поколение ЭВМВ значительной степени формированию пятого поколения способствовали публикации сведений о проекте ЭВМ пятого поколения, разрабатываемом ведущими японскими фирмами и научными организациями, поставившими перед собой цель захвата в 90-х годах ХХ в. мирового лидерства в области вычислительной техники на основе обладания высочайшими технологиями в производстве микропроцессоров. Поэтому этот проект часто называли «японским вызовом». Согласно проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения помимо более высокой производительности и надежности при более низкой стоимости должны обладать следующими качественно новыми свойствами. Это: 1) возможность взаимодействия с ЭВМ при помощи естественного языка, человеческой речи и графических изображений; 2) способность системы обучаться, производить ассоциативную обработку информации, делать логические рассуждения, вести «разумную» беседу с человеком в форме вопросов и ответов; 3) способность системы «понимать» содержимое базы данных, которая при этом превращается в «базу знаний» и использовать эти «знания» при решении задач. Предполагалось, что в ЭВМ пятого поколения быстродействие машин и емкость основной (оперативной) памяти составят соответственно 2 млн. операций в секунду и 0,5 - 5 Мбайт для персональных компьютеров и 1-100 млрд. операций в секунду и 8-160 Мбайт для сверхпроизводительных ЭВМ. Ожидалось, что в машинах пятого поколения будут использоваться СБИС, содержащие до 1-10 млн. транзисторов на одном чипе. Однако современная оценка состояния этих прогнозов является неоднозначной. Ряд поставленных целей из-за конструктивных особенностей машин «фон-неймановской» архитектуры не были достигнуты. В то же время основные характеристики (например, быстродействие, объем оперативной памяти и др.) были перекрыты и, нередко, очень значительно. Так, объемы оперативной памяти в 128, 256, 512, 1024 Мбайт и выше в современных персональных ЭВМ стали уже практической необходимостью. Общая проблема данного поколения, как оказалось, скрыта не в достижении некоторых технических характеристик ЭВМ, а в необходимости замены основной идеи работы - программного принципа и связанной с ним «фон-неймановской» архитектуры. О некоторых попытках создания ЭВМ новых архитектур расскажем дальше. В заключении отметим: несмотря на то, что пятое поколение ЭВМ так и осталось еще не полностью реализованным, ведутся научные и практические исследования по разработке и созданию следующих поколений. Идеи этих поколений состоят не только в принципиальной замене архитектурного построения, но и в применении иногда фантастических вариантов физической реализации ЭВМ, как, например, предлагается при создании биокомпьютеров, т.е. управление живыми организмами с помощью средств и методов компьютерной техники.
3. Классификация и области применения современных ЭВМ, их использование в юриспруденции Классификационными признаками для разделения ЭВМ может выступать множество характеристик и их различных сочетаний. Например, быстродействие ЭВМ, объемы хранимой оперативной и архивной памяти, габаритные размеры, стоимость и т.д. Поэтому в качестве комбинированного классификационного признака можно взять возможность или предназначение ЭВМ выполнять определенные классы информационных задач. Согласно такому классификационному признаку, современные ЭВМ можно условно подразделить на следующие классы (более подробно о причинах условности смотри в конце данного параграфа). 1. СУПЕРЭВМ. Они являются самыми мощными компьютерами, предназначенными для решения уникальных задач, требующих предельных характеристик (в первую очередь быстродействия). ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ: - Автоматизация управления в сверхбольших системах (государственное управление, космические исследования, оборона и т.п.). - Моделирование процессов глобального характера. ПРИМЕРЫ: - картографирование Земли и других планет при их съемке или радиолокационном обследовании из космоса; - составление непрерывно меняющихся метеорологических карт и предсказание погоды; - системы ПВО типа СОИ и другие стратегические оборонные задачи; - моделирование процессов типа «ядерная зима», последствий Чернобыльской катастрофы; - поиск оптимальных решений в задачах социально-правового и экономического планирования. Данный класс машин является самым предельным по размерам, быстродействию, стоимости. Обрабатывает огромное количество информации и представляет результаты в виде динамических таблиц и графиков, имитирующих реальность. Быстродействие их еще в конце XX в. было свыше 1 000 млрд. операций/сек. А при решении некоторых задач была достигнута огромная производительность - 35 000 млрд. операций/сек. Современные проектные разработки направлены на создание ЭВМ с еще большим быстродействием - порядка сотни тысяч млрд. оп/сек. Основа для создания таких ЭВМ заключена, например, в возможностях нанотехнологии. По своей внутренней архитектуре и многим показателям суперЭВМ представляют как бы сеть в одной машине. СуперЭВМ обычно содержат множество параллельных процессоров, и в оптимальных условиях производительность машины пропорциональна их числу. В последнее время начинают происходить изменения и в областях применения суперЭВМ. Их круг типовых задач, отмеченный выше, расширяется в разнообразные сферы деятельности. Например, в США одна из фирм применяет суперЭВМ для проектирования формы металлической баночки под пиво, а в Англии в Скотланд-Ярде суперЭВМ стала применяться (конец 80-х г. XX в.) в задачах дактилоскопической идентификации в работе полиции. В деятельности правоохранительных органов нашей страны аналогичных применений суперЭВМ пока нет, хотя информационные задачи для такого класса компьютеров, несомненно, имеются. 2. БОЛЬШИЕ ЭВМ. Они предназначены для задач, где вводится и запоминается очень большое количество исходных данных, а обработка ведется по сложным алгоритмам. ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ: - Автоматизация управления отраслями, предприятиями, объединениями, корпорациями (АСУ). - Автоматизированные банки данных. - Решение научно-технических задач. - Автоматизация проектирования. ПРИМЕРЫ: - применение банков данных различного назначения в деятельности правоохранительных органов. Эта область применения больших ЭВМ является, видимо, одной из самых распространенных и известных в мировой практике. В информатике даже существует научно обоснованная точка зрения, которая предлагает определять степень информатизации общества в конкретно взятой стране по количественным характеристикам применяемых баз и банков данных. Среди перечня видов баз и банков данных заметное место занимают те, которые применяются для задач юридической деятельности, начиная от эталонных банков законодательства и специализированных банков правоохранительных органов страны в целом и заканчивая региональными, соответствующими административно-территориальному делению государства; - другие примеры эксплуатации этого класса ЭВМ соответствуют приведенным типовым задачам. 3. СРЕДНИЕ ЭВМ (ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ). Для задач, где обрабатывается очень большое количество исходных данных, но алгоритмы обработки состоят из сравнительно небольшого числа логических и арифметических операций. Результаты обработки в большом количестве печатаются в отредактированной форме в виде таблиц, ведомостей и т.д. ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ: - Инженерные расчеты. - Обработка планово-экономических, учетных, статистических данных. ПРИМЕРЫ: в юриспруденции данные ЭВМ, как и в большинстве других областей человеческой деятельности, применяются именно для решения планово-экономических задач, а также специфических статистических задач в области уголовно-правовой статистики. 4. МАЛЫЕ (МИНИ) ЭВМ. Отражают идею так называемых «малых» применений вычислительных машин в задачах, где по довольно простым алгоритмам обрабатываются небольшие объемы данных. Для этих применений, например, ЭВМ общего назначения слишком велики и дороги. Кроме того, для применения ЭВМ данного класса могут быть и довольно специфические условия. В этих условиях компьютер должен работать и применительно к ним приходится создавать специализированные устройства для сбора или восприятия первоначальных данных, а также их предоставления пользователю в каком-то специфическом виде (на практических занятиях мы рассмотрим, что существо данных проблем относится к так называемым периферийным устройствам ЭВМ). ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ: - Автоматизация управления технологическими процессами (АСУ ТП). - Автоматизация контроля и измерений. - Автоматизация научных исследований, испытаний сложных объектов. ПРИМЕРЫ: эти машины применяются для реализации таких задач, как автоматизированное управление дорожным движением посредством светофорного регулирования, автоматизированная охрана объектов государственной и гражданской принадлежности. 5. МИКРОЭВМ (в том числе ПЕРСОНАЛЬНЫЕ). МикроЭВМ - это компьютер индивидуального применения, позволяющий удовлетворить различные информационные потребности пользователя. ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ: - Автоматизированные рабочие места (АРМ). - Управление в сетях передачи данных. - Первичная обработка информации в местах ее возникновения (интеллектуальные терминалы). - Автоматизация задач обучения, бытовых, досуга. ПРИМЕРЫ: в юриспруденции данный класс вычислительной техники находит одно из широких применений. Он позволяет, как реализовывать информационные задачи пользователей любого уровня в иерархической системе государства, так и выполнять отдельные задачи, которые ранее были присущи лишь вышестоящим классам компьютеров. Например, на персональных ЭВМ можно организовать довольно солидные банки данных, вести обработку планово-экономической и статистической информации большого объема, реализовывать выше обозначенные задачи применения малых ЭВМ и т.д. Такое положение в современный период стало характерным в силу качественного, революционного изменения возможностей персональных ЭВМ на базе передовых технологий микроэлектроники, программного обеспечения и ряда других организационных и физических факторов. 6. МИКРОПРОЦЕССОРЫ. Микропроцессор - это интегральная схема (как правило, большая или сверхбольшая), предназначенная для выполнения определенного набора функций. ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ: - Встроенные устройства контроля и управления приборами, машинами и т.д. - Блоки и устройства вычислительной техники. ПРИМЕРЫ: о многообразии применения микропроцессоров в мировой практике говорят данные, указывающие на то, что только направлений их использования для различных сфер деятельности человека насчитывается более 200 000. Естественно, указанная общая ориентация массового применения микропроцессоров отражается и на деятельности правоохранительных органов. Микропроцессоры используются здесь во всех электронных и иных устройствах, как специализированного профессионального назначения, так и технических устройств и систем общего применения, адаптируемых для реальных практических потребностей. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПО КЛАССАМ. Из сказанного видно, что в настоящее время в развитии средств вычислительной техники наблюдаются очень серьезные, качественные изменения. Современный рост эффективности и быстродействия вычислительной техники на единицу стоимости и веса идет по экспоненте с периодом удвоения приблизительно за два года. В частности, миниатюризация элементной базы позволяет резко изменить габаритные размеры ЭВМ, ее энергопотребление и другие взаимосвязанные характеристики. Вместе с тем, ЭВМ, выполненные в более миниатюрном исполнении, нередко, обладают возможностями, в несколько порядков превосходящими этот же класс машин более раннего изготовления. А как отмечалось, создание и активная разработка супермикроминиатюрных или нанотехнологий уже сейчас позволяет реально предполагать создание принципиально новых видов ЭВМ, которая будет терафлопным суперкомпьютером (с быстродействие в тысячу миллиардов операций с плавающей запятой в секунду), а величиной не больше спичечной головки. Кроме того, резкое влияние на характеристики оказывает отмеченная выше тенденция доведения ее до параметров суперЭВМ с резким увеличением коммутационных возможностей. В силу сказанного, не представляется реальным провести какое-либо четко разграниченное сравнение характеристик рассмотренных классов ЭВМ. Мы ограничились здесь лишь рассмотрением общих возможностей. Приведенные сведения базируются на ретроспективном анализе характерных применений компьютеров различных классов. Тем не менее, даже такое условное рассмотрение дает возможность представить существующий общий обзор задач, которые выполняются с помощью компьютерной техники. 4. Понятие «фон-неймановской» архитектуры Как мы уже отмечали, в основе построения первых ЭВМ лежал программный принцип управления, предложенный Чарльзом Беббиджем в своей аналитической машине. Согласно принципу, программа или последовательность элементарных действий по обработке информации готовится заранее человеком, а задача машины состоит в четком и быстром исполнении данной последовательности (во времена Беббиджа такой программный принцип использовался, например, в механических станках ткацкой промышленности). Идея программного управления вычислительным процессом была существенно развита немецким математиком Джоном фон Нейманом (эмигрировавшим из Европы в США во время войны). Он обратился к проблеме вычислительных машин в 1943 году, а в 1945 году сформулировал принцип хранимой в памяти программы и ряд других необходимых подходов и методов для создания ЭВМ. Его научный доклад об идеях и принципах построения программно-управляемых электронных машин представлял по сути дела теоретическую базу принципиально нового класса вычислительной техники. Данная концепция приобрела мировую известность и одобрение, прежде всего за то, что там были изложены конкретные пути создания стратегически требуемых вычислителей, сочетающих необходимое быстродействие, простоту изготовления, реальную работоспособность и приемлемую надежность. Именно по предложенной в докладе методологии осуществлялись разработки и создание большинства первых ЭВМ. За это концепция ученого получила обобщающее название - «фон-неймановская» архитектура. Следует отметить, что основные идеи такой архитектуры, несмотря на их первоначальную простоту, тривиальность, принципиальные ограничения (которые, кстати говоря, выявились на качественном уровне гораздо позднее - напомним «провал» пятого поколения), имели самое широкое распространение в области разработки ЭВМ. Продолжалось это на протяжении четырех поколений ЭВМ. Лишь только в современный период начали осуществляться идеи создания машин, которые по своему построению отличаются от данной архитектуры (например, нейрокомпьютеры и другие архитектуры, о чем мы поговорим ниже). Рассмотрим суть «фон-неймановской» концепции. В обычном представлении термин «архитектура» обозначает следующее. Архитектура - (лат. architectura, от греч. architekton - строитель), зодчество, система зданий и сооружений, а также искусство их создавать. Архитектура в информатике - концепция взаимосвязи элементов сложной системы (например, вычислительной машины, вычислительной сети и т.д.). Архитектура вычислительной системы - общая логическая организация вычислительной системы, определяющая процесс обработки данных в ней. Она включает: методы кодирования данных, состав, назначение, принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения. Другие варианты определения: 1. Принципы работы вычислительной системы на функциональном уровне безотносительно к физической реализации. 2. Точно определенный интерфейс (система взаимодействия) между программами и аппаратурой вычислительной системы. В разнообразии представленных определений мы стремимся подчеркнуть тот факт, что на современном уровне развития вычислительной техники при ее разработке и создании приходится затрачивать значительные ресурсы на предварительном концептуальном рассмотрении возможных композиций, сочетаний, технологий объединения, как больших систем, так и любого их модуля (на первый взгляд даже функционально незначительного). Причем для достижения высокопроизводительных, универсальных и, самое главное, надежных комплексов вычислительной техники обязательно приходится сочетать идеи как оригинального, оптимального построения разрабатываемых устройств, так и их совместимости на самых различных уровнях (программном, аппаратном, информационном, физическом и др.) Таким образом, видна принципиальная значимость архитектурного построения ЭВМ (во всех отмеченных аспектах этой проблемы). Основными чертами (идеями) «фон - неймановской» архитектуры ЭВМ являются: 1. Хранение программы действий машины в памяти самой машины. Это считается наиболее универсальной идеей фон Неймана, направленной на сокращение времени прохождения электрического сигнала по устройствам машины, что в конечном итоге будет определять быстродействие ее работы. Причем особо важным условием является то, чтобы данная память работала максимально быстро. За это далее мы будем называть ее оперативной; 2. Минимизация оборудования. Данная идея, как и следующие, были порождены слабостью ламповой элементной базы, а также общей установкой на увеличение быстродействия вычислительного комплекса в целом. Но и после замены элементной базы, пути, предложенные фон Нейманом, сохранились как исходная посылка для поиска более совершенных вариантов технологической реализации. Смысл данного предложения в том, что было необходимо, с одной стороны, создать работоспособную ЭВМ, а, с другой - работающую с определенной надежностью. Поэтому перед разработчиками стояла задача применения в комплексе все меньшего числа самостоятельных устройств, но без потери общей работоспособности и уменьшения быстродействия; 3. Минимизация внутренних связей. В этом подходе также отражается двойственная задача: иметь машину, устройства которой будут соединены как можно меньшим числом проводников, дорожек печатных плат, других физических линий, но, опять же, с выдержкой основных критериев по быстродействию, работоспособности и надежности функционирования. Следует подчеркнуть, что первоначальные идеи архитектуры порождали их дальнейшее усовершенствование, развитие (на основе практической эксплуатации ЭВМ, возникающих информационных задач и расширения новых сфер применения). Например, отмеченные варианты минимизации привели впоследствии к развитию идей миниатюризации, как отдельных устройств ЭВМ, так и всего комплекса в целом; 4. Определенная организация взаимодействия основных устройств машины - арифметико-логического, управляющего, ввода и вывода данных, памяти. После определения перечисленного набора составляющих модулей ЭВМ, требовалась еще и проработка вопросов их композиционного соединения, при котором бы обеспечивались различные аспекты совместимости. Как видим, все предложения фон Неймана по созданию ЭВМ были ориентированы на реализацию простой по конструкции, но работоспособной и надежной машины (в условиях имеющейся элементной базы, о проблемах эксплуатации которой мы частично упоминали в разделе исторических сведений о развитии ЭВМ). Отмеченный вариант построения (архитектуры) ЭВМ получил в вычислительной технике кроме «фон-неймановской» архитектуры и другое обобщающее название - SISD architecture (Single Instruction Single Data) - ЭВМ с одним потоком команд и одним потоком данных. В совокупности эти идеи сводятся к варианту (архитектуре) организации ЭВМ, при которой машина состоит из двух основных частей: 1 - линейно адресуемой памяти, слова (ячейки) которой хранят команды и элементы данных. В определении памяти подчеркнута идея ее линейности (по крайней мере, линейной адресации), т.е. опять представлена необходимость применения самой простой структуры - одной линии. Но и, вместе с тем, расположение всей совокупности команд и результатов в единой непрерывной строке позволяет организовать наиболее надежный последовательный алгоритм обработки информации. Теоретически доказательство такой возможности было приведено еще в 1936 году А. Тьюрингом; 2 - процессора, выбирающего из памяти команды и их операнды и записывающего результаты также в определенные ячейки памяти (в кратком виде об операнде можно сказать - условия и правила исполнения конкретной команды). Каждая команда явно или неявно указывает адреса операндов, результата и следующей команды.
|
