A hardver fejlődése A mechanikus számítógépektől a szuperszámítógépekig 2. előadás

Átírás

1 A hardver fejlődése A mechanikus számítógépektől a szuperszámítógépekig 2. előadás "Jósolni nagyon nehéz. Különösen a jövőre nézve. (Churchill)

2 A Számítógépek története Három fontos korszak: 1. Mechanikus számítógépek 2. Elektro-mechanikus számítógépek 3. Elektronikus számítógépek Első generációs Második generációs Harmadik generációs Negyedik generációs Ötödik generációs 2

3 Előzmények Az első ismert mechanikus számológép, az abakusz, ami kb éves. A szorzás műveletének megkönnyítésére Napier feltalált egy, elefántcsont rudakból álló számolószerkezetet, amelyet Napier-pálcáknak, vagy Napier-féle csontoknak neveztek. (a logarléc elődjének tekinthető) Edmund Gunter 1620-ban logaritmikus számolólécet szerkesztett (logarléc). E találmány használata az 1980-as évek elejéig még középiskolai tananyag volt. Forrás: Wikipédia 3

4 1. Mechanikus számítógépek Számos legenda kering ókori kínai, görög és későbbi arab tudósok és feltalálók által tervezett, esetleg épített gépekről, automatákról Fogaskerekek, rugók, kallantyúk, Blaise Pascal (1642): 6 digiten számoló összeadó-kivonó gép Gottfried Wilhelm Leibniz (1694): szorozni és osztani is tudó mechanikus gép Charles Babbage ( ): az általános célú számítógépek atyja, szükséges a részeredmények tárolása, egy mozgó kartonszalag segítségével olvasta be az utasításokat Ada Byron, Lady Lovelace ( ) a történelem első programozója Pascal Leibniz Babbage 4

5 2. Elektro-mechanikus számítógépek Hermann Hollerith ( ) elektromos lyukkártya feldolgozó gépe segítségével 6 hét alatt feldolgozta 1890-es amerikai népszámlálás adatait ban céget alapított, ami 1924-től IBM-ként vált ismertté ban Konrad Zuse megalkotta az első programozható elektromechanikus számítógépet, a Z1-et. Howard Aiken vezetésével készült a MARK I az IBM támogatásával a Harvard egyetemen (USA, ). Telefonrelékből épült a gép, eredeti célja a telefonbeszélgetések számlázása volt, de a háborús viszonyok miatt lőelemtáblázatok számítására használták. "Úgy gondoljuk, hogy a világpiacon talán öt darab számítógépet tudnánk eladni." (Thomas Watson, az IBM elnoke, 1943) 5

6 3. Első generációs elektronikus számítógépek elektroncsöves digitális gépek ( ) ABC (Atanasoff Berry Computer ): egy elektronikus gép prototípusa, 1939 (USA) Colossus I: Alan Turing, a német Lorenz kód feltörésére, 1943 (Anglia) Amikor Atanasoff felhívta gépére az IBM figyelmét, azzal utasították vissza, hogy őket soha nem fogják elektronikus számítógépek érdekelni. 6

7 Első generációs elektronikus számítógépek (folyt.) ENIAC (Pennsylvaniai Egyetem ) Külső programvezérlésű gép, programot lyukkártyákra lyukasztották, 19 ezer elektroncsövet tartalmazott, 30 tonna, ezerszer gyorsabb volt, mint a MARK I, 10 cső egy decimális számjegyhez, dugaszolással programozható Electronic Numerical Integrator and Computer (Calculator) 7

8 Az első generációs elektronikus számítógépek (folyt.) 1949-ben a cambridge-i egyetemen üzembe helyezték az EDVAC-ot (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Az első univerzális számítógép már Neumann János ( ) elvei alapján készült el. Ez volt az első olyan számítógép, amely a memóriában tárolja a programot is ben készül el Moszkvában a MESM és BESM, az első két szovjet számítógép, ezeket követi 1953-ban a Sztrela M-3 Az első magyar elektronikus szgp január 2-ig működött Szegeden a Kibernetikai Laboratóriumba 1963-ban a kibernetikai laboratóriumban nyitotta meg Kalmár László professzor Szeged első számítóközpontját BESM6 "A jövő számítógépei talán már másfél tonnánál is könnyebbek lesznek. (Popular mechanics, 1949) 8

9 A Neumann elv Neumann híres cikkének lényege, hogy az elektronikus számítógépekkel szembeni követelmények 3 pontba foglalhatók össze: I. A számítógép fő funkcionális részei a következők kell legyenek: - a vezérlő egység (control unit), - az aritmetikai és logikai egység (ALU), - a tár (memory), ami címezhető és újraírható tároló-elemekkel rendelkezik, - a ki/bemeneti egységek Mindezek teljesen elektronikusak legyenek és bináris számrendszert használjanak. Az ALU képes legyen elvégezni az alapvető logikai és aritmetikai műveleteket. II. A tárolt program elve: Tárolt program elvű legyen a számítógép, azaz a program és az adatok ugyanabban a tárban tárolódjanak, ebből következően a programokat tartalmazó rekeszek is újraírhatók. III. Az automatikus működés követelménye: A vezérlő egység határozza meg a működést a tárból kiolvasott utasítások alapján, emberi beavatkozás nélkül, azaz közvetlen vezérlésűek a számítógépek. 9

10 Elektronikus számítógép-generációk : első generációs gépek elektroncsöves számítógépek : második generáció tranzisztorok és kötegelt rendszerek : harmadik generáció integrált áramkörök (IC) és multiprogramozás : negyedik generáció személyi számítógépek és LSI (Large Scale Integration), VLSI áramkörök 1991-tól napjainkig: ötödik generáció párhuzamos és asszociatív működésű mikroprocesszorok Intel Processzor "Igen, de... mire jó? (Az IBM Advanced Computing Systems részlegének egyik mérnöke a microchipről, 1968) 10

11 Személyi számítógép (Personal Computer - PC) 1981-ben jelentette meg az IBM az első személyi számítógépét Andy Grove (Intel) és Bill Gates (Microsoft) elnökök A Windows 95 nem tartalmaz hibákat. (Bill Gates) 11

12 Személyi számítógép (folyt.) Az IBM-kompatibilis IBM-PC (1981) IBM-PC/XT (1983) IBM-PC/AT (1984) : extended Technology : Advanced Technology: 286, 386, Sinclair ZX-81 Commodore 64 Press any key to continue... 12

13 Személyi számítógép (folyt.) Az első hordozható Osborne Amiga kbyte memória mindenre elegendő. (Bill Gates) 13

14 Személyi számítógép (folyt.) Apple: Lisa 2 Apple: Macintosh Videoton TV Computer (1983) 14

15 Személyi számítógép (folyt.) Mai korszerű PC-k, laptopok Raidmax Ninja Raidmax Samurai Apple Mac Pro Ferrari laptop Antique laptop Apple MacBook Pro 15

16 Közép- és nagykategóriás számítógépek Munkaállomásnak nevezik azokat a gépeket, melyeket egy különleges feladatra optimalizáltak. Ilyen pl. egy grafikus tervezésre szánt számítógép, különösen gyors processzorral, különösen nagy memóriával és különleges videokártyával. A workstation kifejezés UNIX operációs rendszerű gépek környezetében volt először használatos. (Silicon Graphics, HP, IBM, Sun, ) Több száz vagy ezer felhasználó egyidejű kiszolgálására alkalmas nagyteljesítményű számítógép. A nagygépek tipikusan több processzorral, sok terrabájt memóriával és háttértároló-kapacitással rendelkeznek, és elsősorban vállalati környezetben kerülnek felhasználásra. A nagygépek tipikusan Unix-alapú operációs rendszert (pl. IBM AIX) futtatnak, magas fokú hibatűréssel rendelkeznek, szolgáltatásaikat pedig terminálokon keresztül lehet igénybe venni. Munkaállomás lehet egy hagyományos PC is, amely egy helyi hálózathoz (LAN) csatlakozik. 16

17 Szuperkomputerek - Top500 ( Rmax: elméleti csúcsteljesítmény TFLOPS-ban TFLOPS: Tera Floating-point Operations Per Second (billió lebegőpontos művelet / sec) billió=millió*millió (10 12 ) trillió=billió*millió (10 18 ) kvadrillió=trillió*millió (10 24 ) És így tovább: kvintillió, szextillió, szeptillió, oktillió, nontillió 17

18 Az IBM által épített Roadrunner szuperszámítógép a világon elsőként érte el hivatalosan az 1 petaflops-os (10 15 FLOPS) lélektani teljesítmény-határt, ami milliárdszor millió lebegőpontos művelet másod-percenkénti végrehajtását jelenti. 18

19 A számítógép logikai felépítése A számítógép teljesítményét alapvetően a CPU és belső busz (a belső kommunikáció) sebessége, a RAM mérete és típusa, a merevlemez sebessége és kapacitása határozza meg. A gyakorlatban a CPU és a memória az alaplapon helyezkedik el. Az alaplap egy többrétegű nyomtatott áramköri lap, amelyen különböző méretű és alakú csatlakozók helyezkednek el, melyek biztosítják az összeköttetést a hardvereszközök és a processzor között. Központi vezérlő egység (CPU) Bemeneti egységek (input perifériák) Vezérlő egység (CU) Aritmetikai és logikai egység (ALU) Kimeneti egységek (output perifériák) Memória Be- és kimeneti egységek (háttértárak) 19

20 Processzorok fejlődése processzor (CPU - Central Processing Unit): központi feldolgozó egység, feladata a programokban leírt utasítások végrehajtása, az adatforgalom és a feldolgozási folyamatok vezérlése két nagy konkurens gyártó, az Intel és az AMD további gyártók: IBM, Cyrix, VIA a mikroprocesszorok története 1971-ben kezdődött, amikor egy pici ismeretlen cég, az Intel a világon először több tranzisztort épített egybe, hogy központi vezérlő egységet alkosson. (Intel: Integrated Electronics Az Intel név egy motellánc tulajdonában volt, ezért a jogokat megvették) az első mikroprocesszor: i4004 (1971) a mai legfejlettebb Intel processzor: Intel Core i7-3960x Extreme Ed. œ 3.3GHz, 32 nm, 6 processzor mag, 12 feldolgozó szál Intel HT (Hyper- Threading) technológia, 15 MB L3 SmartCache 20

21 Intel processzorok Tranzisztorok száma i4004 (1971) 2300 az első mikroprocesszor, 4 bites* 4040 még egy 4 bites 8008, 8080, bitesek* bites, a PCk első központi egysége, pedig a 8086 már korszerűbb volt 8086 (1978), (1982) bitesek * 286 (1982) (1985) az első 32 bites* 486 (1989) Pentium (1993) Pentium 2 (1997) Pentium 3 (1999) Pentium 4 (2001) Pentium D (2005) logikai CPU mag (HT) ill. 64 bites* kiterjesztés (EM64T) Core (2 magos) Core2 Quad Core i3 Core i5 Core i * A CPU-k belső regiszterkészlete 4, 8, 16, 32, 64 bites, általánosságban elmondható, hogy a processzor ekkor méretű adatokkal, utasításokkal és címzéssel dolgozik 21

22 A memória (RAM) A RAM feladata programok, adatok, a CPU munkájának eredményeinek ideiglenes tárolása. A régi, mechanikus elemeket is tartalmazó memóriaegységeket (mágnesdob-tár, ferritgyűrűs memória) mára teljes mértékben felváltották a félvezető RAM-ok. Mivel a RAM jóval lassabb mint a processzor, ezért a processzorban saját, gyors memória is van, a cache. Átlagos RAM méretek: ZX-81 PC (8088) XT (8086) AT (286) 1KB 16KB 640KB 2MB MB MB Pentium (586) 32-64MB Egy mai számítógépben: 2-8GB DDR3 22

23 Ellenőrző kérdések A számítógépek fejlődése mely 3 fontos korszakra osztható? Ki az univerzális számítógépek alapelveinek megteremtője? Melyek a Neumann féle alapelvek három fő pillére? Mikor jelent meg az első személyi számítógép (PC) és melyik cég készítette? Milyen nagyságrendű a mai leggyorsabb szuperszámítógép számítási sebessége? Melyik a két legfontosabb processzorgyártó cég? Mit jelent a CPU és mi a processzorok feladata? Hány bites volt az első Intel processzor? Hány mag van a mai legfejlettebb Intel processzorban? Milyen nagyságrendű a processzorok gyártási technológiája? Mi a RAM feladata és mekkora memóriája van egy mai átlagos PC-nek? 23