|
|
|||||
  Ο ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗΣ Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής είναι μια μηχανή κατασκευασμένη περισσότερο από ηλεκτρονικά, ηλεκτρικά αλλά και μερικά μηχανικά συστήματα με σκοπό να υπολογίζει. Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής είναι ένα αυτοματοποιημένο ηλεκτρονικό ψηφιακό επαναπρογραμματιζόμενο σύστημα γενικής χρήσης το οποίο μπορεί να επεξεργάζεται δεδομένα βάσει ενός συνόλου προκαθορισμένων οδηγιών – εντολών που ονομάζονται πρόγραμμα. Κάθε υπολογιστικό σύστημα, όσο μεγάλο ή μικρό κι αν είναι, αποτελείται από το ή υλικό μέρος (hardware) και το λογισμικό μέρος (software). Τα βασικά στοιχεία του υλικού μέρους του υπολογιστή είναι η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (ΚΜΕ, αγγλ. CPU, Central Prossesing Unit), η κεντρική μνήμη (RAM & ROM-BIOS), οι μονάδες εισόδου - εξόδου (πληκτρολόγιο, ποντίκι, οθόνη κ.α.), οι περιφερειακές συσκευές (σκληρός δίσκος, δισκέτα, CD-ROM, εκτυπωτής, σαρωτής, μόντεμ κ.α.). Υπάρχουν διάφοροι τύποι υπολογιστών οι οποίοι διαφέρουν κατά το μέγεθος, τις δυνατότητες (επεξεργαστική ισχύς), αλλά και τον τρόπο που τα βασικά τους μέρη συνδέονται και συνεργάζονται μεταξύ τους, έχουν δηλαδή διαφορετική αρχιτεκτονική. Στην πιο διαδεδομένη κατηγορία υπολογιστών ανήκουν οι μικροϋπολογιστές. Στους μικροϋπολογιστές τα βασικά εξαρτήματα όπως, ο επεξεργαστής, η μνήμη κ.ά. βρίσκονται τοποθετημένα σ' ένα τυπωμένο κύκλωμα που ονομάζεται μητρική πλακέτα (αγγλ. Motherboard ή MoBo). Εκτός από τον επεξεργαστή και τη μνήμη, πάνω στη μητρική βρίσκονται οι θέσεις επέκτασης στις οποίες τοποθετούνται οι διάφορες κάρτες γραφικών, ήχου κ.λπ.). Στη μητρική επίσης βρίσκονται υποδοχές για τη σύνδεση διαφόρων άλλων συσκευών. Το λογισμικό του υπολογιστή αποτελείται από τα απαραίτητα προγράμματα που δίνουν τις κατάλληλες εντολές, για να εργάζεται το υλικό μέρος. Συνίσταται δε από το Λειτουργικό Σύστημα (βασικές οδηγίες για τη λειτουργία του Η/Υ καθώς και για την επικοινωνία του με τον άνθρωπο) και το Λογισμικό Εφαρμογών (Πακέτα εφαρμογών, Γλώσσες Προγραμματισμού, Εκπαιδευτικό Λογισμικό. Μερικά ιστορικά στοιχείαΤί είναι όμως στη πραγματικότητα ο Η/Υ; Οι άνθρωποι επινόησαν διάφορες συσκευές για να μετρούν τον χρόνο (όπως ήταν οι κλεψύδρες) ή για να μετρούν τις φαινόμενες μετακινήσεις των αστεριών ως βοήθημα στα θαλάσσια ταξίδια τους (όπως ήταν ο Μηχανισμός των Αντικυθήρων) ή για άλλες χρήσεις. Πολλές από τις εφευρέσεις χάθηκαν, (π.χ. οι πολεμικές μηχανές του Αρχιμήδη). Με την πρόοδο των μαθηματικών έγινε προσπάθεια από κάποιους ανθρώπους να κατασκευάσουν μηχανές υπολογισμών.
Οι διάφορες ηλεκτρομηχανικές κατασκευές έλυναν αποτελεσματικά κάποια συγκεκριμένα προβλήματα. Υπήρχαν βέβαια τα προβλήματα του όγκου και του κόστους. Αυτά μάλλον ώθησαν το 1943 τον Τόμας Ουότσον (Thomas Watson), διευθυντή της εταιρείας I.B.M., να δηλώσει Νομίζω ότι στην παγκόσμια αγορά χρειάζονται το πολύ πέντε υπολογιστές. Το επόμενο βήμα ήταν η επινόηση μιας μηχανής γενικού σκοπού που θα μπορούσε να λύνει προβλήματα διαφόρων ειδών. Εδώ εμφανίστηκε ο Ούγγρος μαθηματικός Τζον φον Νόιμαν, μια εργασία του οποίου δημοσιεύτηκε τον Ιούνιο του 1945 με τίτλο Προσχέδιο έκθεσης για τον EDVAC, όπου περιέγραφε την λογική λειτουργία μιας υπολογιστικής μηχανής που χρησιμοποιούσε το δυαδικό σύστημα και αποθήκευε στην μνήμη της το πρόγραμμά της. Μετά από αυτή την εργασία οι σημερινοί υπολογιστές λέγονται και μηχανές αρχιτεκτονικής φον Νόιμαν. Περιγράφοντας με αδρές γραμμές μια μηχανή φον Νόιμαν, λέμε ότι έχει
Αναφερόμαστε και με συλλογικό όνομα στις Μονάδες Εισόδου / Εξόδου και λέμε ότι είναι τα περιφερειακά μηχανήματα του Η/Υ. Πολύ σημαντική ιστορική στιγμή ήταν η ανακάλυψη του τρανζίστορ το 1947. Παρόμοια στιγμή ήταν η παρουσίαση, στις 12 Σεπτεμβρίου 1958, του πρώτου ολοκληρωμένου κυκλώματος σε μορφή μικροτσίπ (microchip) από τους Ρόμπερτ Νόις (Robert Noyce) και Τζακ Κίλμπι (Jack Kilby). Με τα νέα υλικά οι Η/Υ άρχισαν να κατασκευάζονται μικρότεροι, οικονομικότεροι, ταχύτεροι. Χρησιμοποιήθηκαν για μετεωρολογικές μελέτες και πρόβλεψη καιρού, για επιχειρησιακές εργασίες, για έρευνα φυσικής υψηλών ενεργειών, για αναζήτηση κοιτασμάτων πετρελαίου, για ιατρικές εφαρμογές και για πάμπολλες άλλες χρήσεις. Από το 1946 που κατασκευάστηκε σε ένα πανεπιστήμιο της Πενσιλβανίας ο πρώτος αριθμητικός ηλεκτρονικός υπολογιστής (Η/Υ) με το όνομα ENIAC (που είχε μεγάλο όγκο, είχε περίπου 18000 λυχνίες που καίγονταν πολύ συχνά, δούλευε με ρελέδες κάνοντας τρομακτικό θόρυβο, και κατανάλωνε πολλή ενέργεια) μέχρι την εποχή μας (που οι υπολογιστές είναι μικροσκοπικοί, πολύ ισχυροί, δεν καταναλώνουν πολλή ενέργεια και βρίσκονται στα κινητά μας τηλέφωνα, στα ψηφιακά ρολόγια μας, στα αυτοκίνητά μας, στις τηλεοράσεις και σε άλλες οικιακές συσκευές, και σε πολλά άλλα σημεία σπιτιών και επιχειρήσεων) έχουν περάσει ουσιαστικά ελάχιστα χρόνια! Η εξέλιξη στον τομέα της πληροφορικής είναι ραγδαία! Ταξινόμηση των υπολογιστώνΟι ακόλουθες ενότητες περιγράφουν ταξινομήσεις των υπολογιστών ως προς διάφορα κριτήρια. Ταξινόμηση ως προς την προβλεπόμενη χρήση
Ταξινόμηση ως προς την τεχνολογία υλοποίησηςΈνας λιγότερο διφορούμενος τρόπος ταξινόμησης των υπολογιστών είναι ως προς την τεχνολογία υλοποίησης. Οι πρώτοι υπολογιστές ήταν καθαρά μηχανικοί. Την δεκαετία του 1930 ηλεκτρομηχανικά μέρη χρησιμοποιήθηκαν στις τηλεπικοινωνίες και το 1940 ο πρώτος καθαρά ηλεκτρονικός υπολογιστής κατασκευάστηκε με λυχνίες. Από την δεκαετία του 1950 οι λυχνίες σταδιακά αντικαταστάθηκαν με τρανζίστορ και στα τέλη της δεκαετίας του 1960 και στις αρχές της δεκαετίας του 1970 άρχισαν να χρησιμοποιούνται τα ολοκληρωμένα κυκλώματα από ημιαγωγούς με τα οποία έγιναν και οι μικροϋπολογιστές και αποτελούν μέχρι σήμερα την κυρίαρχη τεχνολογία δημιουργίας υπολογιστών. Στις μέρες μας γίνονται έρευνες προς άλλες τεχνολογίες υλοποίησης που στοχεύουν στην δημιουργία οπτικών υπολογιστών και κβαντικών υπολογιστών. Ταξινόμηση ως προς χαρακτηριστικά σχεδίασηςΜερικά από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά σχεδίασης και υλοποίησης υπολογιστών είναι τα παρακάτω. Μηχανικός έναντι ΗλεκτρονικούΈχουν επικρατήσει οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές. Υπερέχουν σε κάθε σύγκριση ταχύτητας, όγκου, κόστους, κλπ. Ψηφιακός έναντι ΑναλογικούΔύο είναι οι σημαντικοί τύποι υπολογιστών: οι ψηφιακοί και οι αναλογικοί. Άλλοι τύποι όπως οι κβαντικοί είναι ακόμα σε πειραματικό στάδιο. Στους ψηφιακούς υπολογιστές η πληροφορία κωδικοποιείται με ακολουθίες δυαδικών ψηφίων. Δηλαδή η τιμή της τάσης που διαπερνά τα ολοκληρωμένα κυκλώματα έχει δύο αυστηρά διακριτές τιμές. Αντίθετα στους αναλογικούς υπολογιστές, η πληροφορία από τον έξω κόσμο κωδικοποιείται μέσα στον υπολογιστή σαν ένα σήμα συνεχές, που σαν ηλεκτρικό ρεύμα θα είχε άπειρες πιθανές τιμές τάσης μέσα σε κάποια όρια. Από την δεκαετία του 1940 οι αναλογικοί υπολογιστές υπερκεράστηκαν από τους ψηφιακούς για λόγους ευκολίας και απόδοσης, με αποτέλεσμα στην καθημερινότητα όταν μιλάμε για υπολογιστή να εννοούμε ψηφιακό υπολογιστή μόνο. Δυαδικός έναντι δεκαδικούΜια σημαντική σχεδιαστική εξέλιξη στους ψηφιακούς υπολογιστές ήταν η εισαγωγή του δυαδικού συστήματος ως τρόπου αναπαράστασης πληροφορίας στο εσωτερικό του υπολογιστή το 1941. Αυτή η εξέλιξη απάλλαξε τους υπολογιστές από την ανάγκη χρήσης πολύπλοκων μηχανισμών που απαιτούνταν για την επεξεργασία πληροφοριών κωδικοποιημένων με άλλα αριθμητικά συστήματα όπως το Δεκαδικό σύστημα. Η υιοθέτηση του δυαδικού συστήματος απλοποίησε την διαδικασία σχεδίασης ενός υπολογιστή μέσω της χρήσης της άλγεβρας Μπουλ. Το δυαδικό σύστημα ταίριαξε τέλεια με την τεχνολογία ηλεκτρονικών στοιχείων που λειτουργούσαν σε δύο διακριτές καταστάσεις. Δυνατότητα ΠρογραμματισμούΗ ικανότητα του να προγραμματίσεις έναν υπολογιστή προμηθεύοντάς τον με ένα σύνολο εντολών προς εκτέλεση, χωρίς να χρειαστεί να αναδιαμορφώσεις την φυσική διάταξή του (όπως γινόταν με τις καλωδιώσεις των πρώτων υπολογιστών), είναι ένα θεμελιώδες σχεδιαστικό στοιχείο των σύγχρονων υπολογιστών. Αυτό το χαρακτηριστικό επεκτάθηκε όταν οι υπολογιστές μπόρεσαν να ελέγξουν δυναμικά την ροή της εκτέλεσης των εντολών ενός προγράμματος βασιζόμενοι σε ενδιάμεσα αποτελέσματα του υπολογισμού. ΑποθήκευσηΚατά την διάρκεια εκτέλεσης ενός υπολογισμού, είναι συχνά χρήσιμο να αποθηκεύσουμε ενδιάμεσα αποτελέσματα για vα χρησιμοποιήσουμε μετά σε άλλους υπολογισμούς. Η απόδοση πολλών υπολογιστών καθορίζεται σημαντικά από την ταχύτητα με την οποία μπορούν να διαβάσουν τιμές από την μνήμη και να γράψουν τιμές σ' αυτήν, καθώς και από την συνολική της χωρητικότητα. Αρχικά η μνήμη χρησιμοποιούνταν μόνο για την αποθήκευση ενδιάμεσων τιμών κατά την εκτέλεση ενός υπολογισμού αλλά κατά την δεκαετία του 1940 εφαρμόσθηκε η ιδέα ότι και το ίδιο το πρόγραμμα θα μπορούσε να αποθηκευτεί στην μνήμη. Αυτή η εξέλιξη οδήγησε στην ανάπτυξη του πρώτου υπολογιστή με αποθηκευμένο πρόγραμμα, που είναι και ο τύπος του σύγχρονου υπολογιστή. ΥπερυπολογιστήςΥπερυπολογιστής καλείται ένας υπολογιστής που διαφέρει αισθητά απ' τους υπολογιστές που χρησιμοποιούνται από απλούς χρήστες όσον αφορά στον αριθμό των υπολογισμών κινητής υποδιαστολής που μπορεί να κάνει ανά δευτερόλεπτο. Οι υπερυπολογιστές αποτελούνται συνήθως από εκατοντάδες ή και χιλιάδες επεξεργαστές και χρησιμοποιούνται σε μεγάλα εργαστήρια, μεταξύ άλλων για πολύ απαιτητικές προσομοιώσεις (π.χ. της συμπεριφοράς των αστεριών ενός γαλαξία ή της ατμόσφαιρας σε πλανητική κλίμακα). Η ικανότητα υπολογισμών μετριέται συνήθως με τον όρο Flops (FLoating-point Operations Per Second), υπολογισμών κινητής υποδιαστολής. Η υπολογιστική ικανότητα των σημερινών υπερυπολογιστών κοντεύει να φτάσει τα PetaFlops.
Ο υπερυπολογιστής CDC 6600; ο γρηγορότερος υπολογιστής 1964–1969. 10 MFLOPS
Ο υπερυπολογιστής Cray-2; ο γρηγορότερος υπολογιστής 1985–1989. Ο όρος υπερυπολογιστής (Super Computing) χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από την εφημερίδα New York World το 1920 σε αναφορά της στους ειδικής κατασκευής tabulators που κατασκεύασε η IBM για το πανεπιστήμιο της Κολούμπια. Οι πραγματικοί υπερυπολογιστές έκαναν την εμφάνιση τους την δεκαετία του 1960 με βασικό σχεδιαστή τον Σέυμουρ Κρέι (Seymour Cray) που εργαζόταν στην Control Data Corporation (CDC). Στην δεκαετία του 1970 ο Κρέι δημιούργησε την δική του εταιρεία, την Cray Research, η οποία κυριάρχησε στον χώρο των υπερυπολογιστών, με δικές του δημιουργίες, για πέντε χρόνια (1985 - 1990). Στην δεκαετία του 1980 μεγάλος αριθμός μικρότερων εταιρειων μπήκαν σε αυτό τον τομέα παράλληλα με την δημιουργία του μικροϋπολογιστή μια δεκαετία νωρίτερα. Πολλές από αυτές τις εταιρείες έκλεισαν στα μέσα τις δεκαετίας του 1990 εξαιτίας αυτού που αποκαλούμε σήμερα "κραχ αγοράς υπερυπολογιστών". Επί του παρόντος οι υπερυπολογιστές κατασκευάζονται από μεγάλες παραδοσιακές εταιρείες υπολογιστών, όπως η ΙΒΜ και HP που εξαγόρασαν τις μικρότερες. Οi υπερυπολογιστές είναι συνήθως ειδικές και μοναδικές μεγάλες κατασκευές. Η Cray Research εξακολουθεί να κατασκευάζει υπερυπολογιστές. Στους καινούριους Cray υπερυπολογιστές όπως και στον αναμενόμενο Roadrunner της IBM χρησιμοποιούνται οι AMD Opteron επεξεργαστές. Το πολυτεχνείο της Virginia χρησιμοποίησε το 2003 για πρώτη φορά υπολογιστές της Apple για να κατασκευάσει τον υπερυπολογιστή τόυ. Δημιούργησε ένα δίκτυο με 1100 Power Macintosh G5s (dual processor) ,το οποίο έγινε γνωστό με το ψευδώνυμο Big Mac. Η Power Macintosh G5 με τον επεξεργαστή G5 ήταν μακρά ταχύτεροι και πιο αξιόπιστοι από τους Intel ή AMD προσωπικούς υπολογιστές. Το εγχείρημα κόστιζε 5,2 εκατομμύρια δολάρια και έγινε ο τρίτος γρηγορότερος υπερυπολογιστής(17.6 teraflops ) ανάμεσα σε πολύ ακριβότερους. Κύριο εμπόδιο στην επέκταση του ήταν η μεγάλη θερμότητα που παραγόταν από το σύνολο των μονάδων γιαυτό και αργότερα οι G5 αντικαταστάθηκαν με λιγότερο ενεργοβόρους rack-based servers της Apple . H επιτυχία του Bic Mac έστρεψε το ενδιαφέρον της Apple προς την αγορά των διακομιστών και πολλά εκπαιδευτικά ιδρύματα στην κατασκευή φθηνών και αποδοτικών υπερυπολογιστών. Οι υπερυπολογιστές αν και είναι πολλές φορές ταχύτεροι από τους οικιακούς δεν εκτελούν ταυτόχρονα πολλά προγράμματα. Είναι κατασκευασμένοι για να εκτελούν συνήθως μία εργασία με την μεγαλύτερη δυνατή ταχύτητα. Αυτή είναι και η βασική τους διαφορά απέναντι στους μεγάλους ή κεντρικούς υπολογιστές Οι υπερυπολογιστές σήμεραΣύγχρονες κατασκευές υπερυπολογιστών, σχεδόν, κατά κανόνα χρησιμοποιούν χιλιάδες κοινούς μικροπεξεργαστές σε παράλληλη διάταξη για να πετύχουν πολύ υψηλές ταχύτητες επεξεργασίας. Ένας από αυτούς τους υπερυπολογιστές, ο πιο γρήγορος σήμερα στο κόσμο είναι ο Blue Gene/L, περιέχει 65536 μικροεπεξεργαστές και έχει πετύχει την ταχύτητα των 280.6 TFlops (terra-flops δηλαδή τρισεκατομμύρια) και πολύ σύντομα αναμένεται να ξεπεράσει το φράγμα του Peta-Flops (δεκάκις τρισεκατομμύρια ή 1015). Η IBM κατασκευάζει των πιο ισχυρό υπολογιστή με το όνομα Roadrunner . Θα χρησιμοποιεί τους αντίστοιχους με το BlueGene/L τυπικούς επεξεργαστές και επιπλέον 16000 οκταπύρινους Cell επεξεργαστές της IBM που βρίσκονται στα Playstation 3. H συνολική επεξεργαστική ισχύς αναμένεται να είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερη από αυτή του BlueGene/L γύρω στο ένα petaflop (1000 teraflop = 1 petaflop) . Θα εγκατασταθεί στο Λος Άλαμος του Νέου Μεξικού με σκοπό την προσομοίωση πυρηνικών δοκιμών. Η εγκατάστασή του θα ολοκληρωθεί το 2008 και θα καταλαμβάνει χώρο 1100 τετραγωνικών μέτρων. Ο τομέας φυσικής της σχολής εφαρμοσμένων μαθηματικών και φυσικών επιστημών (Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (Ε.Μ.Π.) κατασκεύασε μία συστοιχία υπολογιστών στο εργαστήριο πειραματικής φυσικής υψηλών ενεργειών με σκοπό την εξομοίωση επιστημονικών πειραμάτων. Η συστοιχία αποτελείται από 16 υδρόψυκτους Pentium 4 στα 3 GHz . Η συνολική ταχύτητα φτάνει τα 16 Gflops έχει μνήμη 8 Gbyte και χωρητικότητα δεδομένων 1,28 Terrabyte. Το λειτουργικό του σύστημα είναι το Cluster Knoppix Linux.. Με την εξάπλωση των ευρυζωνικών δικτύων πολλοί οικιακοί υπολογιστές μπορούν να συνδεθούν σε κεντρικούς διακομιστές για να επιτευχθούν αποτελέσματα ταχύτερα από τους υπερυπολογιστές. Δύο σημαντικές προσπάθειες προς την κατεύθυνση αυτή είναι του πανεπιστημίου Μπέρκλεϊ της Καλιφόρνιας Berkeley Open Infrastructure for Network Computing και του πανεπιστημίου Στάνφορντ Folding@Home με την χρήση των Playstation 3. Στο Folding@Home τα στατιστικά δείχνουν για τους χρήστες Playstation 3 μια μέση ταχύτητα στα 560 TFLOPS ενώ για windows 186 TFLOPS. Το BOINC είναι πολυδιάστατο εγχείρημα με βασική εφαρμογή το SETI@Home . Η συνολική μέση ταχύτητα του είναι 550 TFLOPS . FLOPSΕνδεικτικές τιμές τυπικών επεξεργαστών , παιχνιδομηχανών και επεξεργαστών γραφικών.
ΕΠΙΣΤΡΟΦΗ   |
|||||
|
Copyright ® Ιωάννης.Η.Μπιναρδόπουλος
Επισκέπτες:
|
|||||
