2.6. Стоимость компьютеров

Стоимость компьютера – сумма затрат на приобретение и установку компьютера. Затраты на приобретение включают в себя оплату аппаратурной части компьютера, т.е. всей совокупности устройств, составляющих компьютер, и программного обеспечения – операционной системы, необходимых инструментальных систем, систем управления базами данных и пакетов прикладных программ. Затраты на установку компьютера определяются стоимостью пусконаладочных работ и стоимостью обучения обслуживающего персонала.

Стоимость компьютера изменяется в широком диапазоне: от нескольких долларов до десятков миллионов долларов. Наиболее дешевыми являются компьютеры специального применения, встраиваемые в технические системы и решающие задачи управления и контроля работоспособности оборудования. Наиболее дорогими являются крупные компьютерные системы, содержащие тысячи процессоров, мощные системы внешней и архивной памяти и системы передачи данных по каналам связи.

Наибольшее влияние на стоимость компьютеров оказывает технология производства интегральных схем и технология периферийного оборудования. Производство интегральных схем начало активно развиваться в 60-х годах и концу этого десятилетия компьютеры начали строиться на малых и средних интегральных схемах, содержащих десятки и сотни интегрированных на одном конструктивном элементе активных (транзисторы и диоды) и пассивных элементов. В 70-х годах началось производство больших интегральных схем, содержащих тысячи элементов. В этот период наблюдается значительное снижение стоимости полупроводниковых элементов и резкое снижение стоимости процессоров и контроллеров внешних устройств. В 80-х и 90-х годах компьютеры выпускаются с процессорами, выполненными по интегральной технологии в виде одной сверхбольшой интегральной схемы или многочиповой конструкции, содержащей несколько сверхбольших интегральных схем, находящихся в едином корпусе. В этот период стоимость процессоров широкого применения снижается до сотен долларов и стоимость многочиповых процессоров, применяемых в мощных компьютерных системах до 10³ – 10⁴ долларов.

В 70-х годах существенно изменилась технология периферийных устройств: внешних запоминающих устройств, дисплеев и печатающих устройств. На смену классическим магнитным головкам приходят интегральные магнитные и магнитно-резистивные головки, благодаря чему значительно возросла плотность записи информации на магнитных дисках и лентах. Широкое распространение интегральной технологии существенно повлияло на массо-габаритные характеристики дисплеев и их функциональные возможности. В 80-х годах символьные интерфейсы заменяются графическими и значительно развиваются мультимедийные технологии и системы их процессорной поддержки. Столь же революционными явились изменения в системах вывода данных: массовое распространение получили каплеструйные и лазерные технологии печати данных.

2.7. Классификация компьютеров

Класс – множество объектов, обладающих определенными свойствами. Класс объектов выделяется, когда определены свойства, позволяющие относить каждый объект к определенному классу. Наиболее существенными свойствами компьютеров являются их области применения, определяемые множеством задач, для решения которых создаются компьютеры, и производительность компьютеров, определяемая количеством вычислительной работы, выполняемой за единицу времени.

К

Рис.2.3. Классификация компьютеров по области применения.

лассификация компьютеров по областям применения. Как отмечалось в разделе 1.1, компьютеры можно подразделять на два класса: компьютеры общего применения и специализированные компьютеры (рис. 2.3). Компьютеры общего применения подразделяются на три класса: персональные компьютеры, серверы и суперкомпьютеры.

Персональные компьютеры (ПК) предназначены для информационного обслуживания одного пользователя и имеют соответствующий набор ресурсов: процессор, оперативную, внешнюю и, возможно, архивную память, комплект устройств для ввода и вывода данных и канал связи для обмена данными с внешней средой – электронной почты и обращения к возможностям глобальной сети передачи данных Internet. Начиная с 1999 года ПК подразделяются на три основных класса (сегмента): базовый, для досуга, рабочие станции.

Базовый ПК предназначен для работы в офисной среде (в составе локальной сети передачи данных) или в качестве ПК, подключаемого к глобальной сети передачи данных. Базовые ПК требуют процессор с тактовой частотой от 300 МГц, кэш-память от 128 Кбайт, оперативную память 32-64 Мбайта и относительно небольшой набор периферийных устройств, обеспечивающий обслуживание пользователя, работающего в составе отдела.

ПК для досуга и развлечений требуют не менее 64 Мбайт оперативной памяти и развитую систему вывода информации, в том числе TV-вход-выход, монитор с большим экраном и хорошую звуковую систему.

Рабочие станции на базе ПК предназначены для обслуживания пользователей, профессионально обрабатывающих графическую информацию, т.е. работающих с текстами, рисунками, фотографиями, чертежами и т.д. ПК такого класса требуют процессор уровня 400 МГц или многопроцессорную конфигурацию, емкость кэш-памяти на уровне 512 Кбайт на каждый процессор, оперативную память на уровне 512 Мбайт – 2 Гбайт и соответствующую подсистему ввода-вывода графической информации.

Сервер – компьютер, предназначенный для информационного обслуживания группы пользователей. Типичный сервер имеет не менее двух процессоров и сохраняет работоспособность при одном работающем процессоре, развитую систему памяти, содержащую несколько запоминающих устройств на магнитных дисках, сетевой адаптер для ввода-вывода данных, поступающих от периферийных персональных компьютеров, и комплект устройств для управления работой сервера. Типичная схема подключения сервера к системе персональных компьютеров представлена на рис. 2.4. Сервер взаимодействует с персональными компьютерами через сеть передачи данных, к которой сервер подключен с помощью сетевого адаптера, преобразующего последовательности сигналов интерфейса ввода-вывода сервера в последовательности сигналов, соответствующих стандартам сети передачи данных.

Основное назначение сервера – хранение баз данных и приложений, используемых для работы с базами данных. Взаимодействия сервера с конечными пользователями, работающими за персональными компьютерами, сводятся к обеспечению доступа к сегментам данных, выбираемым из заданных баз данных, обработки выбранных сегментов данных с помощью приложений, реализующих требуемые алгоритмы.

При этом используются следующие способы обработки данных:

1. Требуемый сегмент данных и требуемое приложение выделяются и обрабатываются сервером, а персональный компьютер используется для ввода и вывода данных;

2. Требуемый сегмент данных выделяется сервером, передается для обработки в персональный компьютер и обрабатывается заданным приложением;

3. Требуемый сегмент данных и соответствующие приложения передаются в персональный компьютер для последующей обработки.

Выбор способа обработки данных зависит от большого числа факторов, основным из которых является соотношение системной производительности сервера, системы передачи данных, связывающих сервер с персональным компьютерами, и распределением обработки по совокупности персональных компьютеров. Компьютерные системы, обрабатывающие данные с использованием сервера, называются клиент-серверными системами. При этом к клиентам относится совокупность пользователей, имеющих доступ к серверу по сети передачи данных.

В зависимости от производительности серверы подразделяются на следующие классы (см. рис. 2.3): серверы подразделений, серверы предприятий, серверы корпораций.

Серверы подразделений служат для информационного обслуживания служб и отделов предприятий, содержащих несколько десятков компьютеров. Серверы подразделений, как правило, являются двухпроцессорными, имеют оперативную память емкостью 256-2048 Мбайт, как минимум два накопителя на магнитных дисках, адаптер для связи с сетью передачи данных, клавиатуру, мышь и монитор для управления сервером.

Серверы предприятий в зависимости от масштаба предприятия содержат от 4 до 8 процессоров, каждый из которых имеет оперативную память 512-4096 Мбайта и соответствующую кэш-память, не менее четырех накопителей на магнитных дисках и высокоскоростную аппаратуру для передачи данных по каналам связи.

Серверы корпораций используются для информационного обслуживания совокупности предприятий, расположенных в различных точках пространства, т.е. для управления деятельностью распределенной в пространстве совокупности предприятий. В серверах корпораций формируются базы данных, необходимые для анализа эффективности деятельности и стратегического управления деятельностью корпорации. В качестве первичных данных в серверах корпораций используются, например, данные о еженедельном обороте товаров и услуг, поставляемых корпорацией, затратах труда на выпуск товаров и предоставление услуг, котировки акций предприятий корпорации и отраслей, с которыми связана деятельность корпорации, и деловые данные о проектах развития корпорации. Серверы корпораций являются многопроцессорными системами и содержат от 8 до 64 процессоров. Каждый процессор имеет емкость оперативной памяти 512-4096 Мбайт и кэш-память емкостью 1-2 Мбайт. Серверы корпораций оснащаются развитыми системами накопителей на магнитных дисках, обеспечивающими высокую надежность хранения данных.

Серверы предприятий и корпораций строятся обычно по многокомпьютерной схеме, обеспечивающей создание систем с высокой устойчивостью к аппаратурным сбоям и отказам. Устойчивость обеспечивается, во-первых, за счет того, что каждый сервер имеет операционную систему, реагирующую на отказы таких компонентов как процессор, накопитель на магнитных дисках, источник питания и т.д. Отказ компонента приводит к исключению его из работающих ресурсов сервера и запуску программы, перераспределяющей нагрузку на оставшиеся ресурсы. В результате перераспределения нагрузки обработка транзакции будет выполнена повторно от момента ее запуска. Во-вторых, устойчивость к отказам достигается за счет параллельного включения двух серверов с использованием операционной системы, распределяющей нагрузку между ресурсами. При отказе компонента, в том числе и сервера, операционная система перераспределяет нагрузку и повторно запускает процессы, при выполнении которых произошел отказ. За счет этого надежность систем может быть увеличена до уровня 0,999-0,99999.

Суперкомпьютеры (см. рис. 2.3) – большие компьютерные системы, управляемые как единое целое от консоли оператора компьютера. Главные компьютеры широко применяются для научно-технических расчетов. Эти компьютеры строятся на мультипроцессорной основе и обеспечивают обработку векторов и матриц. К главным компьютерам подключается через сеть передачи данных система персональных компьютеров, обеспечивающая программирование задач и ввод-вывод данных. В качестве главных компьютеров могут использоваться и компьютеры коммерческого назначения, обеспечивающие хранение и селективный доступ к большим объемам данных через сеть Internet или сети специального применения.

Специальные компьютеры (см. рис. 2.3) предназначены для встраивания в системы различного назначения для контроля и управления промышленными, транспортными, и прочими объектами. Специальные компьютеры состоят из процессора, системы первичных датчиков, исполнительных блоков, управляемых сигналами компьютера, и, возможно, блоков ввода, отображения и передачи данных по каналам связи. Главная особенность большинства специальных компьютеров – наличие постоянной или перезаписываемой памяти для хранения в ней программ, управляющих работой компьютера. В зависимости от сферы применения выделяют следующие классы специальных компьютеров: контроллеры, сигнальные процессоры, промышленные персональные компьютеры и прочие.

Контроллеры – специальные компьютеры, содержащие каналы ввода и вывода данных. Контроллеры представляют собой одну большую интегральную схему и обеспечивают выполнение операций над целыми числами, а в ряде применений и над числами с плавающей запятой. Операнды, как правило, являются короткими и имеют длину от 8 до 32 бит. Стоимость контроллеров невелика и составляет от десятков центов до нескольких долларов.

Сигнальные процессоры служат для цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени. Основное назначение сигнальных процессоров – фильтрация сигналов, вычисление значений корреляционной функции двух сигналов, Фурье-преобразование сигнала и т.д. Стоимость сигнальных процессоров существенно зависит от тактовой частоты процессора и функциональных возможностей – обработки сигналов в форму с фиксированной или плавающей запятой.

Промышленные персональные компьютеры существенно отличаются от обычных персональных компьютеров своим конструктивным исполнением, которое должно гарантировать безотказность компьютера при работе не в офисных условиях, а совместно с промышленным, транспортным и другим оборудованием в условиях высоких вибраций, ударных нагрузок, широких диапазонах температур и т.д.

К классу прочих специальных компьютеров будем относить все «экзотические» специальные компьютеры, которые не могут быть отнесены к ранее перечисленным классам специальных компьютеров, в том числе компьютеры, содержащие значительную долю аналоговых устройств.

Поколения компьютеров. Первый электронный цифровой компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) был создан в США в Пенсильванском университете Дж. Эккертом и Дж. Моучли на основе принципов, предоставленных Дж. Атанасовым, по проекту Дж. Моучли, в 1942 году. В конце Второй мировой войны компьютер вступил в эксплуатацию и использовался для расчета стрельбовых таблиц. В 1944 году Дж. фон Нейман был привлечен к работе с компьютером ENIAC и предложил идею использования двоичной системы счисления и хранения программ и данных в памяти компьютера, которая стала основополагающей для всех последующих поколений компьютеров.

Компьютеры первого поколения, создаваемые в 50-х годах на электронных лампах и полупроводниковых диодах, занимали площадь в несколько десятков и сотен квадратных метров и стоили от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов долларов. Быстродействие компьютеров составляло от 10 тыс. операций/с и выше. Оперативная память строилась на ферритовых кольцах диаметром порядка 1 мм и имела емкость 4-8 Кслов. В качестве внешней памяти использовались в основном накопители на магнитной ленте, каждый из которых имел объем не менее 0,1-0,2 м³. Для компьютеров первого поколения разрабатывались первые системы автоматизации программирования на основе языков Фортран и АЛГОЛ и первые операционные системы, реализующие обработку заданий в пакетном режиме.

Компьютеры второго поколения строились сначала на транзисторах и диодах, а затем с использованием малых, средних и больших интегральных схем, насчитывающих десятки, сотни и тысячи элементов соответственно. В 60-х годах полупроводниковые компьютеры полностью заменили ламповые, поскольку значительно опережали последние по технико-экономическим показателям: занимаемой площади и потребляемой мощности. В эти годы IBM создала архитектуру System/360 и выпустила модели больших компьютеров стоимостью от 225 тыс. долларов до 1,9 млн. долларов, имевших производительность в десятки раз большую, чем ламповые компьютеры. DEC выпустила первый коммерческий миникомпьютер PDP-8, стоимостью 10 тыс. долларов, ориентированный на управление промышленными объектами и транспортными системами. Архитектура IBM System/360 и архитектура DEC PDP-11 была принята в СССР в качестве базовой и на ее основе начали создаваться Единая Система ЭВМ (ЕС ЭВМ) и Система Малых ЭВМ (СМ ЭВМ). В 60-х годах компьютеризация охватывает все сферы человеческой деятельности. И в это время были разработаны основополагающие принципы построения операционных систем, методы автоматизации программирования, системы управления базами данных и т.д.

Третье поколение компьютеров создавалось в 70-х годах на основе технологии больших и в последние годы десятилетия сверхбольших интегральных схем. Основной результат – значительное уменьшение габаритов компьютеров и миникомпьютеров при увеличении их производительности и снижении стоимости. В 1976 году был выпущен суперкомпьютер Cray-1 с быстродействием 166 млн. операций/с и стоимостью 4 млн. долларов, который оказал революционное влияние на технологию научно-технических расчетов. В 1971 году компания Intel создала 4-разрядный однокристальный микропроцессор Intel 4004, на котором размещалось 2300 транзисторов. Этот микропроцессор начал использоваться в калькуляторах и стал первым однокристальным контроллером.

Четвертое поколение компьютеров создавалось в 80-х годах на основе технологии больших и сверхбольших интегральных схем. Эта технология позволила создать эффективные мультипроцессорные системы для решения научно-технических задач, повысить производительность и уменьшить габариты главных компьютеров и миникомпьютеров, создать широкую номенклатуру специальных компьютеров для встраиваемых применений. В 1977 году С.Джобс и С.Уозник создали первый персональный компьютер Apple для домашних и лабораторных применений. Однако в 1981 году фирма IBM выпустила персональный компьютер IBM PC на основе микропроцессора Intel 8086, содержащего 29 тыс. транзисторов. Этот персональный компьютер стал родоначальником знаменитого семейства персональных компьютеров IBM PC.

В 90-х годах компьютеры создавались исключительно на основе сверхбольших интегральных схем с размером транзисторов от 5x5 мкм до 0,12х0,12 мкм, соединяемых алюминиевыми или медными проводниками. Чем меньше размер транзисторов, тем меньше задержка электрических сигналов и тем выше быстродействие интегральной схемы, достигшее к 2000 году уровня 1 ГГц, что обеспечивает выполнение 1 млрд. коротких операций в секунду, не требующих обращений к оперативной памяти. Использование в процессорах системы параллельной обработки команд позволяет достичь производительности в 2-4 раза больше указанной, т.е. 2-4 млрд. операций в секунду.