Второе поколение ЭВМ создавалось в период с 1955 по 1964 года. На самом деле, четко ограничивать рамки поколений сложно, так как в одно и то же время выпускались ЭВМ, относящиеся к разным поколениям, да и сам переход от поколения к поколению был не резким, а постепенным. Вначале заменялись одни элементы ЭВМ, затем – другие, и так, постепенно, за несколько лет, осуществлялся переход.
Переход на новую элементную базу оказался неизбежным, так как рост производительности и надежность ЭВМ первого поколения достигли своего максимума. Основные причины, приведшие к необходимости замены электронных ламп, были следующими:
1. Нить накаливания в электронных лампах со временем теряет свои эмиссионные свойства и перегорает. В среднем, срок службы лампы не превышал 10 000 часов. Таким образом, в ЭВМ, состоящей из 104 электронных ламп, в среднем, каждый час, выходила из строя одна электронная лампа. Столь низкие показатели надежности были головной болью разработчиков, заставляли применять сложные и дорогостоящие способы повышения надежности, и сильно сдерживали рост производительности ЭВМ. Для сравнения, транзисторы в то время имели срок службы, превосходящий срок службы электронных ламп в тысячи раз.
2. ЭВМ на электронных лампах требуют мощных источников питания, при этом почти 75% энергии растрачивается на тепловых потерях. Это, в свою очередь, приводит к необходимости организации дорогостоящих и сложных систем охлаждения. Транзисторы потребляют на порядок меньше энергии и слабее греются.
3. Большие габариты электронных ламп. Самые миниатюрные радиолампы не позволяли в одном кубическом дециметре разместить более 1000 элементов, в то же время использование транзисторов позволяло на порядок увеличить плотность монтажа.
4. Радиолампы – это хрупкий элемент. Его установка требует осторожности и аккуратности, и с большим трудом поддается автоматизации. В то же время транзисторы — гораздо более надежны и прочны, что позволяет легко автоматизировать процесс их производства и монтажа, а это приводит к снижению себестоимости транзисторов и ЭВМ в целом.
Таким образом, основой ЭВМ второго поколения стало использование новой элементной базы — полупроводниковых транзисторов (триодов), составляющих основную часть конструкции ЭВМ.
Копия транзистора разработанного в лаборатории Белла 23 декабря 1947 года
История создания транзисторов началась еще 22 октября 1925 года, когда Юлием Эдгаром Лилиенфельдом был зарегистрирован патент на принцип работы полевого транзистора. Теория работы полевых транзисторов — проще биполярных, поэтому обоснована и запатентована она была значительно раньше биполярных транзисторов. В общем случае принцип действия полевого транзистора аналогичен работе электронных ламп. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Однако, трудности в практической реализации полевых транзисторов позволили создать действующую модель лишь в 1960 году, значительно позже создания биполярного транзистора, и только в девяностых годах технология полевых транзисторов стала доминировать над биполярными.
Первый действующий транзистор был биполярным, и создали его в 1947 году ведущие специалисты Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн из фирмы «Bell Labs». Официальная демонстрация устройства состоялась 23 декабря 1947 года, и именно эта дата считается официальным днем изобретения транзистора.
Первый биполярный транзистор представлял собой прибор, в котором два металлических контакта соединялись с бруском из поликристаллического германия. Его копия изображена на фотографии справа.
Таким образом, основой ЭВМ второго поколения стали биполярные транзисторы, представляющие собой три последовательно расположенные слоя полупроводников: эмиттера, базы и коллектора.
Полупроводники — это вещества, удельное сопротивление которых изменяется в зависимости от температуры, наличия примесей или изменением освещенности. При построении транзисторов использовали полупроводники с различными примесными проводимостями.
Примеси бывают двух типов – донорной и акцепторной. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются «лишние» электроны. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа. Например, для кремния с валентностью n = 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n=5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.
При добавлении акцепторной примеси в полупроводнике образуются «лишние» частицы с положительным зарядом, численно равным заряду электрона. Такие частиц называются дырками, а полупроводники с лишними дырками называются полупроводниками p-тип. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».
Упрощенная схема биполярного триода
При контакте двух полупроводников различного типа, электроны из полупроводника n-типа начинают переходить в полупроводник p-типа, а дырки из полупроводника p-типа — в полупроводник n-типа. Однако, как только пограничный слой полупроводника n-типа «насытится» дырками, а пограничный слоя полупроводника р-типа насытится электронами, процесс диффузии дырок и электронов прекратится из-за образования, так называемого, запирающего слоя.
Но стоит подать на полупроводник n-типа отрицательное напряжение, а на полупроводник р-типа — положительное, как запирающий слой разрушится, и диффузия дырок и электронов возобновится. Если же на полупроводник n-типа подать положительное напряжение, а на p-типа – отрицательное, то запирающий слой увеличится. То есть, при подаче на коллектор логической единицы (например, напряжение -5 вольт), на эмиттере можем получить либо логический ноль (напряжение меньше 1 вольта), либо логическую единицу (напряжение 5 вольт). Логическую единицу получаем, если на базу подаем положительное напряжение (например, 5 вольт), иначе на эмиттере имеем логический ноль. На основе этих элементов и строились ЭВМ второго поколения.
Как видите, принцип работы полупроводниковых транзисторов не сильно отличается от принципа работы электронных ламп. Однако, их использование позволило значительно усовершенствовать ЭВМ без существенных изменений в структурной схеме. Так производительность ЭВМ выросла примерно на два порядка, а габариты уменьшились на порядок. Значительно (на несколько порядков) повысилась надежность. При этом стоимость ЭВМ снизилась!
Эту ситуацию хорошо иллюстрирует переход от ламповых ЭВМ на полупроводниковые ЭВМ, выполненный фирмой IBM в линейке моделей 709 и 7090. IBM 709 – это ламповая ЭВМ, созданная в августе 1958 года. IBM 7090 – это полупроводниковая ЭВМ, созданная в июне 1960 года, схожая по структуре с IBM 7090. При этом полупроводниковая ЭВМ была более, чем в 6 раз, быстрее своего лампового собрата.
Сравнение ЭВМ первого и второго поколения
Для сравнения, в таблице слева приведены усредненные данные по производительности и габаритам для ЭВМ первого и второго поколения. Данные взяты из книги «Развитие вычислительных машин», авторы Апокин И.А., Мейстров Л.Е.
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.
Рост количества ЭВМ и их суммарной производительности в США
Существенный рост производительности и повышение надежности, снижение массы, габаритов и потребляемой мощности значительно повысили спрос на ЭВМ и расширили область их применения. Появились предпосылки для использования ЭВМ в авиации, космонавтике, машиностроении и других быстро развивающихся областях науки и техники.
Наметились явные тенденции к значительному росту парка ЭВМ и их мощностей. На графике справа приведены тенденции развития парка ЭВМ для США по данным, приведенным в книге «Развитие вычислительных машин», авторы Апокин И.А., Мейстров Л.Е.
При этом основные тенденции развития ЭВМ были связаны с совершенствованием элементной базы, поэтому структурная схема ЭВМ, изображенная на рисунке ниже, не претерпела кардинальных изменений, по сравнению со структурной схемой ЭВМ первого поколения. Однако, наметились тенденции к распараллеливанию вычислительных ресурсов ЭВМ и многопрограммному принципу работы.
ЭВМ, зачастую, содержали несколько параллельно работающих устройств управления, несколько оперативных запоминающих устройств и даже несколько арифметико-логических блоков. Причем часто устройства, выполняющие одну и ту же функцию, могли быть, как однотипные, так и специализированные. Например, могло быть одно центральное арифметико-логическое устройство и несколько вспомогательных устройств, оптимизированных для решения специфических задач.
Так в ЭВМ «Ханиуэлл-800», разработанной в США в 1960 году, использовалось несколько параллельно работающих оперативных запоминающих устройств, подчиняющихся одному устройству управления. Это позволяло значительно компенсировать медленную работу схем памяти на магнитных сердечниках и более эффективно использовать потенциал логических схем. А в ЭВМ «Гамма-60», созданной во Франции в 1960 году, было несколько устройств управления, работающих с одним блоком оперативной памяти. Подобная структурная схема выгодна при сложной и длительной обработке данных, сравнительно небольших объемов. ЭВМ RW-400, разработанная в США в 1960 году фирмой «Рамо Вулдридж», была снабжена несколькими независимыми блоками оперативной памяти и несколькими устройствами управления. Такая структурная схема в наибольшей степени соответствовала принципам параллельной работы и позволяла значительно повысить производительность ЭВМ.
Структурная схема ЭВМ второго поколения, отражающая тенденции развития вычислительной техники, изображена на рисунке снизу.
Структурная схема ЭВМ второго поколения
На схеме:
УВв – устройство ввода;
УВыв – устройство вывода;
ОЗУ – одно или несколько оперативных запоминающих устройств;
АЛУ — одно или несколько арифметико-логических устройств;
УУ — одно или несколько устройств управления;
ВЗУ – внешнее запоминающее устройство.
Изменение структуры ЭВМ в сторону использования различных принципов параллелизма привело к созданию ряда требований, предъявляемых к многопрограммным ЭВМ, верно сформулированных Б.Л. Райли в книге «Communs ACM»:
1. Программы, вводимые в ЭВМ или сохраненные в ПЗУ, должны быть независимы от абсолютных машинных адресов.
2. Должна иметься система приоритетов программ, с помощью которой можно с минимальной задержкой выбирать соответствующую программу, когда появляется возможность выбора между несколькими программами.
3. Должна быть предусмотрена система, которая сохраняла бы текущее состояние каждой исполняемой программы.
4. Любой регистр или любой другой элемент системы, не используемый в данный момент времени, должен быть доступен для любой другой параллельно выполняемой программы.
5. Должна быть обеспечена система прерываний выполняемой программы методом опроса (устройство управления переключается в соответствии с состоянием опрашиваемых устройств) или методом приостановки (сигналы из других устройств поступают в устройство управления и вызывают соответствующую передачу управления другой программе).
6. Должны существовать прямые связи между двумя любыми устройствами системы, которые могут обмениваться информацией. Не следует использовать некое третье устройство в качестве промежуточного элемента при обмене.
7. Система должна быть организована таким образом, чтобы осуществление наблюдения и управления, необходимых для выполнения нескольких программ, не требовало бы совсем или требовало бы минимум дополнительного времени.
8. Объем преобразования и пересылок данных внутри системы должен быть сведен к минимуму.