2.4. Полупроводниковый этап

Решение пришло с появлением полупроводников. С этого момента надежность машин была доведена до такого уровня, при котором стал возможным многосерийный выпуск вычислительных машин. Полупроводники значительно надежнее ламп, так как механически представляют из себя неразборное твердое тело, для работы не требуют нагрева, способны работать на малых напряжениях, не содержат вакуума и на рабочих напряжениях не боятся пробоя. Кроме высокой надежности, полупроводники имеют энергоемкость переключения не просто значительно меньшую чем у ламп. Энергоемкость переключения полупроводникового элемента (транзистора) можно уменьшать в огромной степени по мере улучшения качества (чистоты и точности) изготовления элемента переключения и уменьшении его размеров.

Полупроводниковые машины в 60-х годах вытеснили ламповые. Из-за более высокой надежности сложность полупроводниковых машин была намного выше чем у ламповых, но главное меньшая энергоемкость и более высокая надежность позволили значительно увеличить скорость переключения.

Тогда же выяснилось, что полупроводники можно использовать для хранения информации. Полупроводники с их высокой скоростью переключения стали вытеснять остальные способы хранения там, где скорость доступа к данным важнее себестоимости хранения. В остальных случаях, когда себестоимость не устраивала и требовалось пожертвовать скоростью доступа, стали использоваться ферромагнитные материалы.

Как уже было сказано, с целью уменьшения энергоемкости переключения технологи стали уменьшать размер транзисторов, и это привело к проблеме надежного соединения элементов переключения в полупроводниковых ЭВМ. В отличие от реле и ламп, где сама деталь много дороже и менее надежна чем ее соединение, миниатюрные полупроводниковые кристаллы оказалось легче изготовить, чем собрать между собой в единую систему. В результате надежность полупроводниковой машины стала определяться качеством соединения транзисторов между собой. При достаточно высокой сложности полупроводниковых ЭВМ огромное количество миниатюрных элементов требовало большого числа вспомогательных средств. Требования ремонтопригодности и технология производства заставляли объединять элементы ЭВМ в узлы разного уровня интеграции (плата, кассета, блок, стойка) и большое количество соединений выполнять разъемными, что снижало надежность всей системы. Главная трудность заключалась в том, что надежное прохождение сигнала через все соединения (иногда на значительное расстояние, сравнимое с длиной волны передаваемого сигнала) требовало определенного уровня электрического тока, а это не позволяло уменьшить энергоемкость элемента переключения. Другими словами, энергоемкость (а значит и скорость) полупроводниковой машины была ограничена не технологией изготовления полупроводников, а технологией сборки ЭВМ на основе полупроводников. Так транзисторные машины достигли предела своего развития.

2.5. Интегральный этап

Решение проблемы заключалось в использовании интегральных технологий, которые были впервые предложены в начале 60-х. По мере того, как полупроводниковые элементы уменьшали энергоемкость, обнаружилось, что несколько полупроводников можно изготавливать вместе на одном кристалле, а их соединение между собой выполнять напылением металла на поверхность полупроводника. Принципиально важным было появление технологии производства на кристалле других необходимых элементов электрической схемы – емкостей и резисторов. Несмотря на то, что емкость запертого полупроводникового перехода (он используется в качестве емкости на интегральной схеме) и сопротивление току напыляемого резистора крайне малы, однако сверхнизкая энергоемкость переключения позволила строить рабочие схемы на их основе.

В отличие от других технологий, где миниатюризация и уменьшение управляющих токов, а значит и энергоемкость ограничены особенностями физического процесса, интеграция полупроводников позволила уменьшать энергоемкость настолько, насколько это позволяет технология производства, насколько мал размер элементов на той технологической маске, по которой создаются электрические схемы. Интегральная технология применяется при производстве ЭВМ с середины 60-х годов, а размер элемента переключения за это время был уменьшен в тысячи раз.

Надо отметить, что развитие ЭВМ все это время, вплоть до наших дней, идет в соответствии с правилом, высказанным в 1965 г. основателем фирмы Интел Гордоном Муром, который предположил, что количество элементов на кристалле будет удваиваться каждые один-два года. На практике удвоение происходит приблизительно раз в полтора года, и эта линейная тенденция сохраняется. Это наблюдение иногда называют законом Мура. По этому правилу можно предсказать уровень развития ЭВМ. Например, микропроцессоры появились только тогда, когда количество элементов на кристалле позволило создать на нем все узлы, необходимые процессору.

Существует ли подобное наблюдение для элементов хранения, тем более, что устройства хранения развиваются не менее высокими темпами, чем устройства обработки? Чтобы оценить прогресс количественно нам желательно привязать скорость доступа и себестоимость хранения к одной величине, для этого введем условный параметр «рубль-секунда». Этот параметр оценивается для некоторого заданного объема данных, и равен произведению стоимости элементов хранения такого объема на время выборки этого же объема из устройства хранения. Данный параметр все время уменьшается и его величина на данный момент определяет текущий уровень развития устройств хранения. К сожалению, предикативная оценка для элементов хранения такая же, как для элементов обработки (т.е. закон Мура), не была сделана.

Как уже было сказано выше, элементы хранения развивались параллельно с элементами переключения. Причем, когда для хранения данных стали применяться полупроводниковые интегральные схемы, это позволило создать устройства с очень высокой скоростью доступа при себестоимости много меньшей, чем у остальных устройств хранения, предполагающих высокою скорость доступа. Так как себестоимость полупроводниковых схем постоянно уменьшалась в соответствии с законом Мура, для задач, которым требуется прежде всего высокая скорость доступа, технологии хранения на полупроводниковых интегральных схемах вытеснили все другие технологии. Одновременно шло развитие способов записи данных на магнитные носители. Дешевизна и надежность магнитных материалов, высокая точность изготовления устройств позволили создать устройства с очень высокой плотностью хранения информации, для которых себестоимость хранения оказалась крайне низкой. Таким образом, для задач, в которых важен объем накапливаемой информации, технологии, использующие магнитные носители, на какое-то время вытеснили все остальные.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Тьюринга машина (Т.м.)

Тьюринга машину удобно представлять в виде некоторого автоматически действующего устройства, способного находиться в конечном числе внутренних состояний и снабженного бесконечной внешней памятью – лентой. Среди состояний имеются два выделенных – начальное и заключительное. Лента разделена на клетки (ячейки) и не ограничена влево и вправо. В каждой клетке ленты может быть записан любой из символов, входящих в некоторый заранее заданный перечень (ради единообразия считают, что в пустой клетке записана "пустая буква"). В каждый момент времени Т.м. находится в одном из своих состояний и, рассматривая (посредством специального устройства) одну из клеток своей ленты, воспринимает записанный в ней символ. Если в текущий момент времени Т.м. находится в не заключительном состоянии, то в следующий за ним момент: 1) она переходит в новое состояние, быть может совпадающее со старым, или заключительное; 2) в рассматриваемой клетке старый символ заменяется новым, быть может пустым или совпадающим со старым; 3) лента машины сдвигается на одну клетку влево или вправо либо остаётся на месте. Этот шаг Т.м. вполне определяется её текущим состоянием и текущим воспринимаемым символом. Таблица, содержащая полное перечисление возможных шагов данной Т.м., называется программой этой машины.

Текущее полное описание Т.м. даётся её конфигурацией, которая состоит из указания для данного момента следующей информации: 1) кон­крет­ного заполнения клеток ленты символами; 2) клетки, находящейся в поле зрения машины; 3) состояния, в котором машина находится.

Если у данной Т.м. взять в качестве исходной какую-либо конфигурацию с не заключительным состоянием, то работа этой машины будет заключаться в последовательном, шаг за шагом, преобразовании исходной конфигурации в соответствии с программой машины до тех пор, пока не будет достигнута конфигурация с заключительным состоянием. Эта последняя, если она существует, и считается результатом работы данной Т.м. над исходной конфигурацией.