计算机系统发展历程

1945～1954电子管＋继电器，用导线连接，组成单CPU，完成定点运算，采用汇编语言和机器语言。代表：IBM7011955～1964采用分立式晶体三极管、二极管和铁氧体的磁芯，用印制板电路将他们连接，可完成浮点运算，采用编译程序的高级语言、子程序和批处理的监控程序。代表：IBM70301965～1974采用中小规模的集成电路和多层印刷电路，运用流水线、高速缓存和先行处理机的技术，软件方面采用多道程序设计和分时操作系统。代表：IBM360～370系列1974～1991采用大规模或超大规模集成电路和半导体存储器，出现了共享存储器、分布存储器等，开发了并行处理的多处理的操作系统、专用语言和编译器。代表：IBM/3090VF1991～至今采用VLSI工艺更加完善的高密度、速度处理机和存储器芯片。最大的特点是大规模的并行处理，采用可扩展和容许时延的系统结构。代表：CrayResearch的MPP计算机的发展历史计算机性能的高速增长受益于电路技术的发展体系结构技术的发展第一代真空管Vacuumtubes1.0计算机发展历史回顾ENIAC-background•ElectronicNumericalIntegratorAndComputer电子数字积分器和计算机，第一台通用电子数字计算机•MauchlyandEckert，UniversityofPennsylvania•Trajectorytablesforweapons•Started1943—Finished1946—Useduntil1955–ToolateforwareffortENIAC-details•Decimal(notbinary)•20accumulatorsof10digits•Programmedmanuallybyswitches•18,000vacuumtubes•30tons•15,000squarefeet•140kWpowerconsumption•5,000additionspersecondVacuumtubeinENIACInputPannel(42)CableProgramingDebug(线路检查)ENIAC缺点：输入、修改程序复杂。若程序能与数据同存于存储器，可简化编程过程。vonNeumann/Turing•StoredProgramconcept(设计新型计算机ENIAC）•PrincetonInstituteforAdvancedStudies–IAS•Completed1952现代电子计算机之父•1944~1945年间，美籍匈牙利科学家冯·诺伊曼在第一台现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想：•采用二进制和“存储程序”。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯·诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯·诺伊曼机体系延续至今。VonNeumannwiththefirstInstitutecomputerAlanTuringStructureofvonNeumannmachine–Mainmemorystoringprogramsanddata–ALUoperatingonbinarydata–Controlunitinterpretinginstructionsfrommemoryandexecuting–InputandoutputequipmentoperatedbycontrolunitIAS-details•1000x40bitwords–Binarynumber（39+1）–2x20bitinstructions•Setofregisters(storageinCPU)–MemoryBufferRegister–MemoryAddressRegister–InstructionRegister–InstructionBufferRegister–ProgramCounter–Accumulator–MultiplierQuotient（乘商寄存器）EDVAC商用计算机•1947-Eckert-MauchlyComputerCorporation•UNIVACI(UniversalAutomaticComputer)用于USBureauofCensus1950calculations•BecamepartofSperry-RandCorporation•Late1950s-UNIVACII–Faster–MorememoryUNIVACIUNIVACIIIBM•Punched-cardprocessingequipment•1953-the701–IBM’sfirststoredprogramcomputer–Scientificcalculations•1955-the702–Businessapplications•Leadto700/7000series1952年，IBM公司的第一台机器IBM7011952年，IBM公司的第一台机器IBM701第一代计算机系统•电子管、继电器存储器，用绝缘导线连接•CPU（PC，累加器）•顺序执行定点运算•机器/汇编语言•CPU程序控制I/O第二代晶体管Transistors•Replacedvacuumtubes•Smaller•Cheaper•Lessheatdissipation•SolidStatedevice•MadefromSilicon•Invented1947atBellLabsTransistorBasedComputers•Secondgenerationmachines•NCR&RCAproducedsmalltransistormachines•IBM7000•DEC-1957–ProducedPDP-1IBM7030(1961)数据通道多路器世界上第一台通用流水线机器－IBM7030世界上第一台通用流水线机器－IBM7030它采用四级流水线结构，以使取指、译码和执行阶段重叠，从而提高速度。DECPDP-1(1960)Estimatedcost=$120,000•分立晶体二极管、三极管、铁氧体磁芯、用印刷电路互连•变址寄存器、浮点运算、多路存储器、I/O处理器•带编译程序的高级语言、子程序库、批处理监控程序第二代计算机系统微电子技术的出现Microelectronics•Literally-“smallelectronics”•Acomputerismadeupofgates,memorycellsandinterconnections•ThesecanbemanufacturedonasemiconductorGenerationsofComputer•Vacuumtube-1946-1957•Transistor-1958-1964•Smallscaleintegration-1965on–Upto100devicesonachip•Mediumscaleintegration-to1971–100-3,000devicesonachip•Largescaleintegration-1971-1977–3,000-100,000devicesonachip•Verylargescaleintegration-1978todate–100,000-100,000,000devicesonachip•Ultralargescaleintegration–Over100,000,000devicesonachip第三代计算机系统主要特征（IBM360/370，PDP-8）•微程序控制开始普及•流水线、高速缓存、先行处理机•软件上多道程序设计、分时操作系统第四代计算机系统主要特征（IBM3090，VAX9000）•出现共享存储器、分布存储器、并行计算机•开发了用于并行处理的多处理操作系统、专用语言和编译器等第五代计算机系统主要特征（IntelParagon）•进行大规模并行处理、采用可扩展、容许延时的系统结构IBM360series(第三代)•1964•Replaced(¬compatiblewith)7000series•Firstplanned“family”ofcomputers（系列的概念）–Similaroridenticalinstructionsets–SimilaroridenticalO/S–Increasingspeed–IncreasingnumberofI/Oports(i.e.moreterminals)–Increasedmemorysize–Increasedcost•Multiplexedswitchstructure（多路器）1964年，IBM公司宣布了IBM360系列S/360极强的通用性适用于各方面的用户，它具有360度”全方位的特点，因此得名。IBM投入了50亿美元的研发费用，远远过制造原子弹的“曼哈顿计划”的20亿美元Amdahl和Blauw等人在介绍IBM360时，提出了“系统结构”这一重要概念。采用了微程序技术。。IBM360FamilyDECPDP-8(第三代)•1964•Firstminicomputer•Didnotneedairconditionedroom•Smallenoughtositonalabbench•BUSSTRUCTUREDEC-PDP-8BusStructureOMNIBUSConsoleControllerCPUMainMemoryI/OModuleI/OModulePDP-11(1973)VAX-11(1981)MicroVAX1976年，Cray-1第一台每秒亿次浮点计算能力的计算机。第一台商业化的向量超级计算机。1971年，Intel公司开始出售它的第一种微处理器芯片－Intel4004Intel80X86系列世界最快的计算机2001（IBM）2001年宣布制造出全球运算速度最快的超级电脑，占地达两个篮球场之大，重达106吨，它的运算能力相当于击败国际象棋世界级棋手的超级电脑“深蓝”的1000倍，达7万亿次。2002年世界最快的计算机NEC地球模拟器35万亿次中国最快的计算机曙光3000，4,032亿次联想机群系统，4万亿次“曙光4000A”采用2560枚美国超微(AMD)公司服务器芯片，10万亿次浮点运算/s。天河一号超级计算机系统进入世界五强.我国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”，峰值性能每秒1206万亿次双精度浮点运算，Linpack测试值达每秒563.1万亿次。是世界上首台CPU和GPU异构混合千万亿次超级计算机系统。日本展示512核芯片，浮点运算每秒5120亿次GrapeDR处理器采用90nm制程，由台积电代工，尺寸为17×17mm。PB级的异构存储系统GrowthinCPUTransistorCountEvolutionofSingle-ChipMicros1970’s1980’s1990’s2010TransistorCount10K-100K100K-1M1M-100M1BClockFrequency0.2-2MHz2-20MHz20M-1GHz10GHzInstruction/Cycle0.10.1-0.90.9-2.010(?)MIPS/MFLOPS0.20.2-2020-2,000100,000Moore’sLaw---1965•Increaseddensityofcomponentsonchip•GordonMoore-cofounderofIntel•Numberoftransistorsonachipwilldoubleeveryyear•Since1970’sdevelopmenthasslowedalittle–Numberoftransistorsdoublesevery18months•CostofachiphasremainedalmostunchangedMoore定律：微处理器内晶体管数每十八个月翻一番。Bell定律：如保持计算能力不变，微处理器的