Беседы о поколениях ЭВМ

Н. Бусленко, В. Бусленко

©   Издательство "Молодая гвардия", 1977 г.

Все настойчивее вторгаются электронные вычислительные машины в науку и в народное хозяйство. О зарождении этих машин, принципе их действия, их развитии и влиянии на жизнь человека расскажут член-корреспондент АН СССР Н. Бусленко и его сын кандидат технических наук В. Бусленко.

- Как, еще одно поколение?! Ведь машины второго поколения только-только успели войти в жизнь. Еще не решены многие и многие связанные с ними проблемы - и уже в тираж!

- Так уж устроена жизнь. Однажды получив толчок, какая-либо идея дальше развивается самостоятельно, по своим законам, не оглядываясь назад. Так, родившись еще в недрах второго поколения, идея применения полупроводниковых приборов породила так называемые интегральные схемы.

- При чем здесь интеграл?

- Интеграл, конечно, ни при чем. Просто интегральный - значит цельный, единый. Интегральная схема по размерам не превосходит обыкновенный транзистор, но в ней и триоды, и сопротивления, и вообще все необходимые элементы содержатся в одном кристалле!

- Значит, ЭВМ третьего поколения - это вычислительная машина на интегральных схемах?

- Если совсем коротко, то да!

Оказалось, что все элементы интегральной схемы: и диоды, и транзисторы, и конденсаторы, и резисторы можно изготовить из одних и тех же материалов (кристаллов полупроводника, металлов, диэлектриков), при помощи одних и тех же технологических операций, на одном и том же производственном оборудовании. Как известно, рабочей областью полупроводникового прибора является пограничная поверхность между кристаллическим полупроводником и металлом. Для создания такой поверхности стала применяться технология напыления металла в вакууме (термического или с помощью ионной бомбардировки).

Если говорить о массовом производстве полупроводниковых приборов, то вряд ли возможно осуществить эти сложнейшие технологические процессы вручную. Неизбежно это привело бы к слишком большому "разносу" характеристик выпускаемых элементов и высокой стоимости производства. Поэтому в электронной промышленности были созданы и внедрены специальные автоматизированные технологические линии, станки-автоматы и агрегаты с автоматическим управлением. Только благодаря автоматизации удалось обеспечить достаточную однородность херактеристик полупроводниковых приборов в ЭВМ второго поколения.

Конечно, желаемое качество изделий было достигнуто не сразу. По мере накопления опыта и тщательной организации подготовки кадров удалось в конце концов наладить серийное производство в высшей степени миниатюрных и высококачественных полупроводниковых элементов. Размеры их исчислялись буквально миллиметрами; были созданы также миниатюрные конденсаторы, резисторы и другие нагрузочные элементы. С освоением столь миниатюрных полупроводниковых приборов появилась надежда значительно увеличить плотность монтажа электронной апаратуры. Этому способствовало то обстоятельство, что на смену монтажу с использованием навесных проводов с соединениями при помощи пайки пришел так называемый печатный монтаж, при котором соединения создаются путем контактной печати из специального состава.

Печатный монтаж коренным образом изменил ситуацию в области миниатюрной электронной аппаратуры. Совершенно другой вид приобрела технология изготовления электронных схем: вместо кропотливого и утомительного труда сотен монтажников, с паяльником в руках собирающих сложные схемы ЭВМ первого поколения, оказалось возможным использовать работу точных, неутомимых и высокопроизводительных станков-автоматов.

Следует заметить, что при автоматизации монтажа электронных схем, особенно при индустриальной постановке дела (унификация и типизация, предварительная заготовка деталей и печатных плат, выпуск больших партий и т.д.), позволила также заметно снизить стоимость изделий, отчего и ЭВМ стали намного дешевле.

Однако, на пути дальнейшей миниатюризации электронных схем, построенных даже из микроскопических элементов, серьезной преградой оказалось их устарелое конструктивное оформление. Проектировщики обратили внимание, что существенную долю объема схемы занимали "нерабочие" части: корпус, входные-выходные контакты отдельных элементов, монтажные соединения, межэлементные промежутки и т.д. Все это препятствовало повышению "плотности" даже в случае печатного монтажа и технологии напыления. Вот тут и возникла мысль: а нельзя ли "напылить" все элементы, необходимые для построения заданной электронной схемы, на поверхности одного и того же проводникового кристалла вместе со всеми необходимыми соединениями?

Но легко сказать - возникла мысль. А сколько потребовалось усилий и времени, чтобы эта плодотворная идея материализовалась в виде нового электронного прибора - интегральной схемы.

В интегральной схеме все компоненты и соединения изготовлены на общей "подложке", так называемом монокристалле; для ее изготовления используется единый технологический цикл, а полученный элемент герметизируется в одном корпусе, как раньше отдельный транзистор.

Процесс изготовления интегральной схемы поистине микроскопичен. Сводится он к созданию в теле миниатюрного кристалла зон (участков) с различной концентрацией проводящих материалов. Комбинации их в соответствующих сочетаниях составляют транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, сопротивления и другие элементы, образующие в совокупности схемы заданного функционального назначения, скажем, триггерную ячейку. Зоны имеют выход на поверхность кристалла, где при помощи пленочных металлизированных дорожек и соединяются между собой отдельные участки. На поверхности напыляются также и некоторые пассивные, нагрузочные элементы электронной схемы. Степень, так сказать, интеграции схемы характеризуется числом первичных элементов - диодов, транзисторов, конденсаторов и т.д., - "напыляемых" на одном кристалле. Для логических схем она достигает десятков, а для регистраторов, счетчиков и сумматоров - сотен элементов на кристалл.

Очевидно, что отсутствие межэлементных контактов и открытых монтажных соединений является гарантией высокой надежности интегральных схем. Поэтому ЭВМ третьего поколения работают десятки и сотни тысяч часов безотказно. При этом быстродействие интегральных схем достигает миллионов операций в секунду, а потребляемая мощность - всего несколько тысячных долей ватта.

При изготовлении вычислительных машин на интегральных схемах технология производства играет, как это видно, еще большую роль, чем в ЭВМ на полупроводниковой технике. Для получения высоконадежных и дешевых интегральных схем принимаются специальные меры: вся технология должна быть автоматизированной и групповой. Это означает, что данная технологическая операция выполняется не над одним кристаллом или схемой, а над целым массивом однотипных микроэлектронных элементов для десятков и сотен интегральных схем.

Массовое производство интегральных схем осуществляется крупными сериями, предназначенными для создания тех или иных видов аппаратуры: для вычислительной техники, для радио- и телевизионных приемников.

Согласованные между собой по электрическим параметрам типы интегральных схем монтируются на печатных платах стандартных размеров и составляют так называемую "систему первичных элементов" для построения того или другого вида средств электронной техники. Эти первичные элементы часто называются типовыми элементами замены - ТЭЗами. Дело в том, что ремонтировать электронные устройства на интегральных схемах в обычном смысле этого слова - бесплодная затея. Ремонт сводится к простой замене вышедшего из строя типового элемента новым. И это понятно, ведь "исправить" вышедший из строя интегральный элемент гораздо сложнее, а главное - дороже, чем изготовить новый.

- Скажите, сколько достоинств принесли вычислительной технике интегральные схемы!

- Да. Во-первых, миниатюризацию: ЭВМ третьего поколения стала не больше письменного стола. А все вспомогательное оборудование умещается на 15-20 квадратных метрах.

- Стало быть, машина приобретает вполне "человеческий вид" и из многоквартирного дома, который занимал электронный монстр первого поколения, перебрался в комнату!

- Совершенно верно. Во-вторых, для ее питания теперь достаточно всего несколько киловатт.

- Смотрите, и электричества нужно как на одного человека!

- Если продолжать сравнения, то ЭВМ третьего поколения стала "человечнее" и внутренне: ее электронный мозг перерабатывает теперь не только числа, но и слова, фразы, тексты, то есть, как говорят, оперирует алфавитно-цифровой информацией.

По надежности ЭВМ третьего поколения также оказалась вполне на уровне других видов современной электронной аппаратуры: телевизоров, радиоприемников, магнитофонов, и теперь уже без всяких натяжек на них можно смотреть как на электронные приборы.

То, что габариты, потребляемая мощность и вес ЭВМ третьего поколения резко уменьшились, позволило использовать их в бортовых системах управления и навигации. ЭВМ третьего поколения нередко можно увидеть на кораблях и подводных лодках, а наиболее миниатюрные из них - на самолетах, космических кораблях и искусственных спутниках Земли!

При создании ЭВМ на интегральных схемах не ставилась задача побить рекорд быстродействия. Скорость выполнения операций выбиралась исходя из назначения машины данного типа. Тем не менее, существуют образцы ЭВМ третьего поколения с быстродействием до двух и более операций в секунду. В состав операций, выполняемых ЭВМ третьего поколения, входят не только арифметические операции над числами и логические операции, производимые ЭВМ первого и второго поколений, но и более крупные преобразования массивов информации. Сущность их нельзя постичь, не уяснив изменения самого понятия "элемент информации", происшедшие в машинах третьего поколения.

Как уже говорилось, двоичной единицей информации является бит. Во многих ЭВМ третьего поколения используется группа из шести-восьми бит, которую ЭВМ воспринимает как неделимую при передаче, хранении и многих других операциях. Она получила название байт (англ. byte - слог).

Использование байтов чрезвычайно упрощает согласование отдельных процессов обработки информации в ЭВМ. Байты удобны не только для представления десятичных цифр (обычно по две цифры в байте), но также и букв разных алфавитов или других специальных знаков. Каждый символ (знак, буква) занимает один байт, его восемь двоичных разрядов как раз позволяют изобразить двоичными кодами достаточное количество разнообразных символов.

Совокупность некоторого числа байтов (обычно 4 - 8) представляет собой так называемое машинное слово, которое все еще может восприниматься ЭВМ как единое целое.

Уже не просто числа, а машинные слова хранятся в оперативном запоминающем устройстве, перерабатываются в арифметическом устройстве и устройстве управления. Примерами машинных слов служат команды, из которых состоит программа для ЭВМ, числа, а также буквенно-цифровая информация - слова документов, над которыми выполняются специальные машинные операции.

Машины третьего поколения имеют специальные команды, соответствующие операции над машинными словами: формирование текстов из отдельных слов, операции редактирования, поиска, компоновки и другой переработки текста. Это делает их хорошо приспособленными к обработке обычных человеческих документов, с их помощью можно автоматизировать документооборот, обрабатывать большие массивы технологической, статистической, экономической информации.

Особенность циркулирующей в ЭВМ информации обусловила специфику построения памяти машин третьего поколения. Внутренняя память содержит электронное сверхбыстродействующее запоминающее устройство небольшого объема (всего несколько сотен байтов), а также оперативное запоминающее устройство на миниатюрных ферритовых сердечниках, емкость которого несколько сотен тысяч и миллионов байт. Но даже этих миллионов не хватает для хранения той кипы документов, которую приходится теперь обрабатывать машинами. Поэтому в третьем поколении ЭВМ чрезвычайно велика роль внешней памяти.

Внешняя же память современных компьютеров поистине неисчерпаема! Помимо известных нам накопителей на магнитных лентах, которые теперь достигли объема до 20 миллионов байт на одну "лентопротяжку", имеются еще и накопители на магнитных дисках, о которых стоит сказать несколько слов.

Магнитные диски, как видно даже из их названия, совмещают в себе известный принцип магнитной записи и считывания информации и новую структуру организации памяти - структуру дискотеки. Если попытаться проанализировать, то можно заметить, что главное достоинство проигрывателя в том, что любая запись на пластинке (диске) легкодоступна, в то время, как на магнитофоне, прежде чем отыщется нужная запись, придется порядком помотать ленту. Накопитель на магнитном диске представляет собой набор нескольких дисков, нанизанных на один стержень на некотором расстоянии друг от друга. Между дисками ходят головки для записи и считывания информации. Таким образом, накопитель - это целая дискотека доступных для одновременного считывания дисков. Емкость даже одноги диска огромна - до сотен миллионов байт.

По надежности и скорости обмена дисковая внешняя память не имеет себе равных и не уступает даже скоростной памяти на магнитных барабанах.

В заключение нужно отметить еще одну интересную особенность: ЭВМ третьего поколения выпускаются теперь целыми "семействами". Этот вполне официальный термин обозначает совокупность так называемых программно-совместимых моделей различного назначения, обладающих разными возможностями, но выполненных на одной и той же элементной и конструктивно-технологической базе. В настоящее время наиболее известны два семейства ЭВМ третьего поколения: ИБМ-360 и ЕС ЭВМ.

Специалистами стран - участниц СЭВ: Болгарии, Венгрии, ГДР, Польши, СССР и Чехословакии - создана Единая система (ЕС) ЭВМ третьего поколения. ЕС ЭВМ представляет собой семейство программно-совместимых электронных цифровых машин, в которое входят ЭВМ ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1030, ЕС-1040, ЕС-1060 и т.д.

Быстродействие процессоров ЕС ЭВМ охватывает диапазон от нескольких тысяч до миллиона операций в секунду. Программная совместимость всех ЭВМ семейства характеризуется тем, что программы, составленные для ЭВМ с меньшим быстродействием, могут быть реализованы на ЭВМ с большим быстродействием. Это достигается единством структуры ЭВМ, в частности, состава команд и системы кодирования данных.

Модель ЕС-1010 представляет собой мини-машину, имеющую быстродействие 10 тысяч операций в секунду, разработанную и производимую в Венгерской Народной Республике. Эта машина успешно применяется для управления быстротекущими процессами, а также как самостоятельное средство для инженерных и экономических расчетов.

Модель ЕС-1020 относится к промежуточному типу между малыми машинами и машинами среднего класса. Ее быстродействие - 20 тысяч операций в секунду. Оперативная память имеет объем 64 тысячи бит, или, иначе, 16 тысяч 32-разрядных "машинных слов". Внешняя память создана с использованием магнитных лент и дисков. К этой машине может быть подключено до 112 каналов для связи с абонентами. Она разработана советскими специалистами. Используются ЕС-1020 в АСУ производством и технологией небольшого масштаба.

Модель ЕС-1030 является ЭВМ уже средней производительности. Она имеет среднее быстродействие порядка 100 тысяч операций в секунду. Объем оперативной памяти до 512 тысяч байт. ЭВМ ЕС-1030 разработана специалистами Советского Союза и Польской Народной Республики.

Модель ЕС-1040 имеет быстродействие 300 тысяч операций в секунду. Объем оперативной памяти - от 256 тысяч до одного миллиона 24 тысяч байт. Она разработана специалистами Германской Демократической Республики. Машины типа ЕС-1030 и ЕС-1040 применяются для обработки экономической информации, а также в АСУ широкого назначения.

Модель ЕС-1060 относится к высокопроизводительным ЭВМ. Быстродействие до полутора миллионов операций в секунду. Объем оперативной памяти от одного миллиона 24 тысяч до 8 миллионов 192 тысяч байт. Эта ЭВМ разработана специалистами Советского Союза. Модель приспособлена для работы с многими внешними устройствами в системах автоматизированного управления и коллективного использования. Эти машины могут быть соединены между собой в многомашинные вычислительные комплексы. ЭВМ ЕС-1060 может иметь свыше 400 каналов, к которым подключаются устройства внешней памяти на магнитных лентах, магнитных дисках или различные внешние устройства.