Роль физики в развитии вычислительных систем и сетей

Физика оказала определяющее влияние на создание и развитие вычислительных систем. Прогресс физики твердого тела в ХХ веке, исследование и синтез материалов с заданными свойствами обеспечил возможность реализации полупроводниковых технологий, создания сверхбольших интегральных микросхем, магнитных и оптических носителей информации, лазеров. Нобелевские премии по физике были присуждены: в 1956 г. Джону Бардину (John Bardeen), Уолтеру Браттейну (Walter Brattain) и Уильяму Шокли (William Shockley) за открытие транзистора (в 1947 г. точечного рис. 1.1, [6], в 1950г. биполярного), в 2000 г. Джеку Килби за изобретение интегральной микросхемы и российскому ученому, академику Жоресу Алферову за создание, исследование и применение новых полупроводниковых гетероструктур (рис. 1.2). Этим признаны выдающиеся успехи российских ученых в разработке новой элементной базы для микроэлектроники и оптоэлектроники, применяемой в компьютерной технике, связи и т.д.

Название “транзистор” придумано инженером, популяризатором науки и писателем-фантастом Джоном Пирсом (John Pierce) на основе обозначения одного из параметров вакуумных и полупроводниковых триодов transconductance, transresistance (крутизна характеристики)

Рис. 1.1. Первый транзистор [6], изготовленный в Bell Laboratories (Белловских лабораториях) в 1947 г.

Рис. 1.2. Жорес Алферов, лауреат Нобелевской премии по физике за разработку новых полупроводниковых гетероструктур

Весьма существенную роль в развитии ЭВМ и компьютерных технологий сыграла и продолжает играть ядерная физика (казалось бы, весьма далекая от информатики). Дело в том, что теоретические и экспериментальные задачи ядерной физики отличаются чрезвычайной сложностью. Это и математические модели, требующие численных расчетов, и дорогостоящие и весьма опасные в случае аварий установки (ядерные реакторы) и большие объемы данных. Все это настойчиво стимулировало развитие вычислительной техники. Первая ЭВМ ENIAC (Джон Уильям Моучли) была создана в 1943-1946 годах в Пенсильванском университете (США) для расчетов, связанных с созданием ядерного реактора и атомной бомбы. Автоматизация обработки огромного потока данных с ускорителей стимулировала разработку интерфейсов сопряжения измерительных приборов и исполнительных механизмов с ЭВМ, систем распознавания образов. Необходимость обмена с коллегами во всем мире результатами экспериментов в текстовой, числовой и графической форме привела сначала к созданию региональных и глобальных вычислительных сетей, а затем к разработке, начиная с 1989 г. в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN, Женева), распределенной информационной системы WWW (World Wide Web), основанной на гипертекстовом языке HTML (Тим Бернерс-Ли, рис. 1.3 слева) [7, c.15].

Рис. 1.3. Ядерная физика и Интернет: слева Тим Бернерс-Ли, создатель технологии WWW в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN, Женева, 1989 г.); справа главная страница и одно из диалоговых окон научного Интернет-сервера NRV (ОИЯИ, г. Дубна, Россия, 2006 г.)

Российскому Интернету положило начало создание в 1990 г. на базе Курчатовского института атомной энергии компьютерной сети Relcom. Мощнейшие многопроцессорные суперкомпьютеры разрабатываются для решения стратегических задач, в том числе связанных с ядерной проблематикой. Один из мощных российских компьютерных центров создается в городе-наукограде Дубна (Московская обл.) на базе Объединенного Института Ядерных Исследований (ОИЯИ, JINR). Планируется, что к 2010 г. состав Центра программистов будет включать 10000 специалистов, часть из которых в настоящее время работает в других институтах. Примером применения современных информационных технологий является база знаний по низкоэнергетическим ядерным реакциям - научный сервер NRV (Nuclear Reaction Video), обеспечивающий доступ через Интернет к вычислительным ресурсам, программам и базам данных [9]. При его создании использовались языки программирования Си, фортран, Java, JavaScript, PHP, HTML, SQL и система управления базами данных (СУБД) MySQL. Диалоговые окна сервера (рис. 1.3 справа) содержат графики, рисунки (в том числе анимационные) и элементы управления – поля выбора, текстовые поля, переключатели, флажки, позволяющие сформулировать расчетное задание, а затем выполнить его щелчком по кнопке Calculate (Вычислить).

Перечислим особенности современного состояния и перспективы вычислительных систем и сетей. Для обработки данных все шире используются Интернет-приложения, наиболее важным компонентом которых являются базы данных. Программная часть приложений может быть доступна в открытом виде или распространяться как сервис, а не как товар. Компании-разработчики должны постоянно поддерживать работу интернет-приложений, это повышает роль языков написания серверных сценариев, например, PHP, Perl, JavaScript, синтаксис которых сходен с синтаксисом языка Си. [10]. Революционными технологиями Интернет называют: Web 2.0, Open API (Открытый прикладной интерфейс программирования), AJAX ( Asynchronous JavaScript and XML). [11]. Для решения трудоемких задач используется технология распределенных вычислений (GRID – сетка, решетка) и многопроцессорные системы. В первом случае используются связанные сетью обычные компьютеры, во втором специально создаваемые суперкомпьютеры.

Приведем ряд сведений об истории вычислительной техники.

1. Идея создания вычислительной машины пришла английскому математику Чарльзу Бэббиджу (рис. 1.4) в 1812 г. Его работа по созданию “разностной машины” для расчета навигационных таблиц и “принтера” для устранения ошибок при их переписывании не была доведена до конца – проект был закрыт в 1834 г. “Разностная машины” (весом 2,6 т) была воссоздана по чертежам в Лондоне в 1991 г. к двухсотлетию со дня рождения ученого, а “принтер” (весом 3,5 т) был собран в 2000 г. Более детальной, хотя также не доведенной до конца, стала разработка “аналитической машины” – механического компьютера. В машине предусматривался накопитель для хранения чисел, арифметическое устройство, механизм, управляющий последовательностью операций, а также устройства ввода данных (с помощью перфокарт) и вывода данных. Центральный узел “аналитической машины” был собран после смерти Чарльза его сыном Генри. Программу для нее написала дочь Джорджа Байрона – леди Ада Лавлейс (ее именем назван язык программирования Ada). В середине ХХ века в СССР такие аппараты назывались машиносчетными станциями [13].

Рис. 1.4. Чарльз Бэббидж (слева) и Джон фон Нейман (справа) H&S 2005,12,с.10

2. Принципиальная архитектура современных ЭВМ (процессор+оперативная память+внешняя память+устройства ввода/вывода [1,2]) была разработана Джоном фон Нейманом – математиком, физиком и автором теории игр, сыгравшей важную роль в экономике (рис. 1.4), [13]. Поработав в составе группы разработчиков ЭВМ ENIAC, в котором реализация алгоритмов выполнялась извне – с помощью многочисленных проводов и переключателей, фон Нейман пришел к двум важным выводам: во-первых, программа должна находиться в памяти компьютера (Immediate Address Storage, IAS – “машина с памятью с прямой адресацией”), а во вторых, десятичная арифметика не подходит для ЭВМ. Следующей ЭВМ был EDVAC (электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными), для него фон Нейман разработал подробную логическую схему, в которой структурными единицами были уже не физические элементы цепей, а идеализированные вычислительные элементы. В 1952 г. фон Нейман разработал первый компьютер (MANIAC I), использующий программы, записанные на гибком носителе.

3. Первым серийным компьютером стал UNIVAC, приобретший известность после предсказания в 1952 г. победы Эйзенхауэра на президентских выборах в США.

4. В 1975 г. редакцией журнала Popular Electronics (Популярная электроника) компьютер Altair 8800 был назван первой коммерческой моделью домашнего компьютера. Он стоил менее $400, не имел экрана и клавиатуры, мог программироваться на машинном языке с помощью переключателей и светодиодных индикаторов на передней панели. Первый язык программирования Altair BASIC был первым продуктом от Microsoft, написанным Б. Гейтсом (Bill Gates), П. Алленом (Paul Allen) и М. Давидоффом (Monte Davidoff).

5. Реальный переворот в компьютеризации произошел в 1980 г. после выпуска компьютера IBM PC [14]. К концу 2005 г. в мире использовалось более миллиарда ПК [15].