Елементна база: визначення, класифікація, особливості

69 0 Новини високих технологій

Елементною базою ЕОМ називається їх основна електронна складова. Ця складова змінюється в залежності від покоління комп'ютерів. Покоління елементної бази ЕОМ пояснюють історію розвитку комп'ютерів на основі еволюціонують технологій. З кожним новим поколінням комп'ютерні схеми, їх розміри ставали все мініатюрніша, швидкість обробки інформації подвоювалася, пам'ять стала більше, а зручність і надійність поліпшувалися. Тимчасова шкала, задана для визначення кожного покоління, важлива для розуміння того, що є елементною базою ЕОМ. Але вона не визначена до кінця і вважається досить умовною. Покоління елементної бази фактично засновані на еволюціонує технології чіпів, а не на якихось конкретних часових рамках.


Елементна база: визначення, класифікація, особливості

Перше покоління ЕОМ

П'ять поколінь комп'ютерів можна охарактеризувати електричним струмом, що протікає:
  • у вакуумних трубках;
  • у транзисторах;
  • у інтегральних схемах;
  • у мікропроцесорних чіпах;
  • в інтелектуальних пристроях, здатних до штучного інтелекту.
  • Перше покоління ЕОМ з'явилося в 1940-ві-1950-ті роки. Комп'ютери першого покоління насправді були першими універсальними і справжніми цифровими комп'ютерами. Вони з'явилися, щоб замінити електромеханічні системи, які були занадто повільними призначених завдань. Перші комп'ютерні генератори використовували вакуумні трубки для комутації. Запечатане скло дозволяло, щоб струм протікав по бездротовій мережі від ниток до металевим пластинам.

    Як працювали перші комп'ютери

    Елементна база комп'ютера, трубки, були виготовлені з герметичних скляних ємностей розміром з лампочку. У системі не було рухомих частин. Елементною базою першого покоління були лампи, які називалися діодами і триодами. Вхід і вихід здійснювалися за допомогою перфокарт, магнітних барабанів, друкарських машинок і зчитувачів перфокарт. Інтерфейс систем був виконаний з використанням плагінів і машинної мови.


    Елементна база: визначення, класифікація, особливості
    Елементною базою ЕОМ першого покоління було складно використовувати. Техніки з'єднували електричні ланцюги, підключивши численні кабелі до роз'ємів. Потім вони використовували спеціальні перфокарти і чекали кілька годин, щоб отримати результат для будь-якої форми обчислень. Перші ЕОМ були настільки великими, що займали цілі кімнати. Мова асемблера і програмне забезпечення операційної системи ще були відсутні. Системи могли вирішувати лише одну проблему за раз. Ці машини були призначені для операцій низького рівня, і програмування виконувалося з використанням тільки двійкових цифр 0 і 1.

    ENIAC — найпотужніший з перших комп'ютерів

    Одним з найвидатніших комп'ютерів в цю епоху був ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), спроектований і побудований інженером Джоном Мокли і Джоном Преспером Еккертом з Університету Пенсільванії. Його збірка була виконана командою з п'ятдесяти чоловік. ENIAC був у 1000 разів швидше, ніж попередні електромеханічні комп'ютери , але набагато більш повільним при перепрограмуванні. Серед іншого, ENIAC використовувався для вивчення можливостей термоядерної зброї, стрільби балістичної артилерією і термічним запалюванням двигуна, а іноді для прогнозів погоди. Ці системи були величезні за розміром і займали цілі кімнати, використовуючи багато електроенергії, що зробило їх джерелом нестерпного тепла.
    Елементна база: визначення, класифікація, особливості

    Універсальний автоматичний комп'ютер

    UNIVAC (універсальний автоматичний комп'ютер) був створено все тими ж інженерами — Джоном Мокли і Джоном Преспером Еккертом. Комп'ютер був першим у тієї ж епохи, який був розроблений для комерційних цілей, крім військового використання. Використовуючи свою елементну базу, він досить добре маніпулював алфавітами і цифрами і використовувався Бюро перепису населення США для перерахування загального населення. Пізніше він застосовувався для складання звітів з продажу компаній і навіть для передбачень результатів президентських виборів в 1952 році. На відміну від понад 17000 вакуумних труб ENIAC, UNIVAC I використовував трохи більше 5000 електронних ламп. Він був також удвічі менше свого попередника. Було продано понад 46 цих ЕОМ.

    Комп'ютери другого покоління: 1950-1960-ті роки

    ЕОМ другого покоління були комп'ютери, в яких замість вакуумних ламп використовувалися транзистори. Це і була елементна база другого покоління. Нові комп'ютери були краще, ніж їх попередники багато в чому із-за порівняно невеликого розміру, швидкості і більш низької вартості. Транзистори є будівельними блоками практично будь-якого мікрочіпа, а також вони більш надійні, енергоефективні та здатні проводити електрику швидше і краще, ніж вакуумні трубки.
    Як і трубки, елементна база ЕОМ другого покоління, що включала транзистори, була перемикачами або електронними затворами, які використовуються для посилення або управління струмом або включення або вимикання електричних сигналів. Транзистори називаються напівпровідниками, оскільки вони містять елементи, які знаходяться між провідниками і ізоляторами.
    Елементна база: визначення, класифікація, особливості

    Винахід транзисторних напівпровідників

    Транзисторні напівпровідники були винайдені в Bell Laboratories в 1947 році вченими Уїльямом Шоклі, Джоном Бардіном і Уолтером Браттентом, але не випускалися до середини 1950-х років. Інженери і творці нової елементної бази бачили майбутнє комп'ютерів другого покоління вдосконалення процедур введення та виведення даних. Спочатку ці процеси були схожі на останні моделі комп'ютерів першого покоління. Робота була досить трудомісткою і виснажливою, тому що включала в себе працю кілька співробітників, які носили перфокарти з кімнати в кімнату.

    Пакетна система передачі даних

    Для того щоб прискорити процес, була створена і реалізована пакетна система. Вона включала збір декількох завдань даних на кілька перфокарт і подачу їх у магнітні стрічки з використанням порівняно невеликий і недорогий системи. IBM-1401 був одним з таких комп'ютерів. Для нього використовувалася операційна система IBM-7094 і Fortran Monitor System. Коли обробка даних була завершена, файли переносилися назад на магнітну стрічку. Використовуючи меншу систему, наприклад, IBM-1401 дані можна було роздрукувати на кілька перфокарт в якості виводу інформації. Це були провісники програмного забезпечення операційної системи.

    Характеристики комп'ютерів другого покоління

    Потім почався процес оновлення обмежувального двійкового машинного коду до мов, які повністю підтримували символічне і буквено-цифрове кодування. Програмісти тепер могли писати ассемблерах і мовах високого рівня, таких як FORTRAN, COBOL, SNOWBALL і BASIC.
    Елементна база: визначення, класифікація, особливості
    Ранні суперкомп'ютери були лише деякими з машин, які використовували транзистори. Прикладами цих систем були універсальний блок UNIVAC LARC від Sperry Rand (1960) і IBM-7030 Stretch supercomputer (1961) і мэйнфрейм CDC 6600 (1963).

    Третє покоління комп'ютерів: 1960-1970-ті роки

    Елементна база третього покоління ЕОМ — це інтегральні схеми і многопрограммное програмування. Комп'ютери третього покоління використовували мікросхему інтегральної схеми (ІС) замість транзисторів. Реалізація цих комп'ютерів також відповідала Закону Мура, в якому зазначалося, що розміри транзисторів знижувалися настільки швидко, що їх кількість на схемі подвоювалася кожні 2 роки.

    Переваги інтегральних схем

    Напівпровідникова ІС включала величезна кількість транзисторів, конденсаторів і діодів. Потім вони були надруковані на окремих частинах плати. Ручне підключення конденсаторів і діодів у транзисторах було трудомістким і не повністю надійним. Джек Кілбі з Texas Instruments і Роберт Нойс з Fairchild Corporation окремо один від одного виявили переваги інтегральних схем в 1958 і 1959 роках відповідно. Кілбі побудував свою ІС на німеччині, у той час як Noyce - на кремнієвій мікросхемі.
    Першою системою, що використовують ІС, була IBM 360 яка застосовувалася для обробки як комерційних, так і наукових завдань. Після розміщення декількох транзисторів на одному чіпі, крім зниження вартості, швидкість і продуктивність будь-якого одного комп'ютера також значно збільшилися. З моменту свого винаходу швидкість ІС подвоювалася кожні два роки, що ще більше скоротило розмір і вартість комп'ютерів.

    Використання інтегральних схем на сучасних комп'ютерах

    Сьогодні майже всі електронні пристрої використовують деякі форми інтегральних схем, розміщених на друкованих платах. На відміну від схеми ІС, взаємодія з комп'ютерами покращився. Замість перфокарт для введення і виведення даних, відображення інформації відбувається через візуальні дисплеї, застосовуються клавіатури, а також поліпшені периферійні пристрої введення. Комп'ютери тепер використовують програмне забезпечення операційної системи для управління обладнанням та ресурсами, що дозволило системам одночасно запускати різні програми. Це сталося через централізованих додатків, які контролювали розподіл пам'яті. Комп'ютери стали доступні широкій аудиторії з-за розміру і справедливої вартості. Це покоління також відкрило концепцію "комп'ютерного сімейства", яка спонукала виробників придумати комп'ютерні компоненти, сумісні з іншими системами. Прикладами цих систем були суперкомп'ютери Scientific Systems Systems Sigma 7 (1966) і суперкомп'ютери IBM-360 (1964) і CDC 8600 (1969).

    Четверте покоління комп'ютерів: від 1970-х до теперішнього часу

    Мікропроцесор, ОС і графічний інтерфейс — елементна база сучасних комп'ютерів. Народження мікропроцесора було в той же час народженням мікрокомп'ютера. Це також відповідало закону Мура, який передбачив експонентний ріст транзистора і мікрочіпів, починаючи з 1965 року. Компанія Intel, її інженери Тед Хофф, Федеріко Фаггин і Стен Мазор у листопаді 1971 року представили перший в світі одночіповий мікропроцесор Intel 4004. Те, що в першому поколінні заповнювало всю кімнату, тепер можна було встановити на долоні. Само собою, новий мікрочіп був таким же потужним, як комп'ютер ENIAC з 1946 року. Четверте покоління і його елементарна база відіграє важливу роль у створенні різних пристроїв.

    Процесор Intel 4004

    Незабаром виробники почали інтегрувати ці мікрочіпи в свої нові комп'ютери. В 1973 році був випущений Xerox Alto з PARC. Це був справжній персональний комп'ютер, у який увійшли Ethernet-порт, миша і графічний інтерфейс з бітовим відображенням, перший у своєму роді. У 1974 році Intel представила 8-розрядний мікропроцесор загального призначення з назвою "8808". Потім програміст Гері Арлен Килдалл приступив до створення програмного забезпечення на базі диска, відомого як "Програма управління для мікрокомп'ютерів" (CPM). Воно стало прообразом сучасної елементної бази ПК.

    Перший домашній персональний комп'ютер

    У 1981 році International Business Machine представила свій перший комп'ютер для дому, в якому працював процесор 4004. Він був відомий як IBM PC. Компанія співпрацювала з Біллом Гейтсом, який купив Disk Operating System з Seattle Computer Product і розповсюдив його з нового комп'ютера IBM. Архітектура IBM PC стала стандартною моделлю ринку.
    Елементна база: визначення, класифікація, особливості

    Створення операційної системи Windows

    Apple під керівництвом Стіва Джобса змінила програмну гру, коли в 1984 році випустила комп'ютер Apple Macintosh з покращеним графічним інтерфейсом (графічний інтерфейс користувача), використовуючи ідею інтерфейсу, отриману від Xerox PARC. Обидві програми управління для мікрокомп'ютера і операційної системи диска були операційними системами на основі командного рядка, коли користувач повинен взаємодіяти з комп'ютером за допомогою клавіатури. Після успіху графічного інтерфейсу Apple Microsoft інтегрувала оболочную версію Windows версії DOS 1985 року. Windows використовувалася протягом наступних 10 років, поки вона не була заново винайдена як Windows 95. Це було справжнє програмне забезпечення для операційної системи з усіма необхідними утилітами.

    Поява Linux

    У той час як програмне забезпечення стало звичайною справою і корпорації почали брати за нього гроші, новий рух програмістів запустило Linux в 1991 році. На чолі з Linux Torvalds вони стали ініціаторами безкоштовного проекту операційної системи з відкритим вихідним кодом під назвою Linux. Крім Linux, інші операційні системи з відкритим вихідним кодом і безкоштовне програмне забезпечення були поширені для обслуговування офісних, мережевих і домашніх комп'ютерів.
    Елементна база: визначення, класифікація, особливості

    Поширення мобільних пристроїв

    У 1980-х і 2000-х роках персональні комп'ютери та настільні комп'ютери стали звичайним явищем. Вони були встановлені в офісах, школах і будинках, їх вартість стала прийнятною, а розмір — компактний. Програмне забезпечення, що працює на цих комп'ютерах, також стали доступнішими. Незабаром мікропроцесори вийшли з під монополізації настільними комп'ютерами і перейшли на інші платформи. Спочатку з'явився ноутбук, а потім планшети і смартфони, консолі, вбудовані системи, смарт-карти, які стали популярними через необхідність використання Інтернету під час руху. Згідно з нещодавнім дослідженням, мобільні телефони становили 60% усіх цифрових пристроїв по всьому світу.

    П'яте покоління комп'ютерів: сьогодення та майбутнє

    Комп'ютери п'ятого покоління побудовані на технологічному прогресі, здобутий у попередніх поколіннях комп'ютерів. Сучасні інженери сподіваються на поліпшення взаємодії між людьми і машиною шляхом використання людського інтелекту і великих даних, накопичених з самого початку епохи цифрових технологій. Вони виходять із теорії, концепції і реалізації штучного інтелекту (AI) і машинного навчання (ML). AI - ось що є елементною базою ЕОМ покоління 5. Це реальність, яка стала можливою завдяки паралельній обробці і сверхпроводникам. Комп'ютерні пристрої з штучним інтелектом все ще знаходяться в розробці, але деякі з цих технологій починають з'являтися і використовуватися, наприклад, розпізнавання голосу. AI і ML можуть бути неоднаковими, але використовуються як взаємозамінні, щоб створити пристрої, які досить інтелектуальні для взаємодії з людьми, іншими комп'ютерами, середовищем і програмами. Суть п'ятого покоління буде полягати у використанні цих технологій, щоб в кінцевому підсумку створити машини, які можуть обробляти і реагувати на природну мову, а також мати можливість вчитися і самостійно організовуватися. Поширення обчислювальних пристроїв з можливістю їх самонавчання, реагування та взаємодії різними способами, заснованими на набутому досвіді і навколишньому середовищу, також додало імпульс концепції IoT (Інтернет речей). На своєму піку і з правильними алгоритмами комп'ютери, ймовірно, будуть демонструвати високі рівні навчання, перевершуючи інтелект людей. Багато проекти Штучного інтелекту вже впроваджуються, а інші все ще знаходяться на стадії розвитку. Піонерами у цій сфері є Google, Amazon, Microsoft, Apple, Facebook і Tesla. Перші реалізації почалися на інтелектуальних домашніх пристроях, які призначені для автоматизації та інтеграції дій в будинку, аудіо та візуальних пристроях, а також автомобілів з автопілотом.