Основой этого развития являются разнообразные стационарные и мобильные компьютерные системы. С начала девяностых компьютеры относительно быстро прошли путь эволюции от сравнительно примитивных устройств с ограниченными возможностями до всеобъемлющих инструментов, и сегодня они широко используются практически во всех сферах нашей жизни.
1993–2000 гг.: ПК и Интернет
Точкой отсчета всемирной компьютеризации считается 1981 год — год появления компактных систем, созданных на основе микропроцессоров (процессоров) компании Intel. Эти сравнительно сложные и недешевые тогда компьютерные системы были ориентированы на персональное использование, поэтому и названы были персональными компьютерами (ПК). В начале 90-х они стали более доступными для домашнего использования благодаря усилиям многочисленных компаний – Intel, IBM, Microsoft, Apple и др.
Это была эра расцвета ПК, которая подтолкнула бурный рост в целом ряде отраслей: промышленности, индустрии досуга и, конечно же, компьютерных игр, а также внесло свой вклад в распространение графических пользовательских интерфейсов (GUI), которые развили и в дальнейшем много лет совершенствовали компании Apple и Microsoft.
Конечно, по современным меркам процессоры линеек i8080/86/88, i286, i386 и даже i486 не были сложными. Однако на основе накопленного опыта компания Intel выпустила 22 марта 1993 года процессор следующего поколения — Intel Pentium, представленный чуть позже несколькими моделями. Но даже первые из них были в 3–5 раз мощнее, чем предшественники в лице i486. Эта новая разработка относилась уже к пятому поколению, окончательно утвердив компьютерным стандартом 32-разрядную архитектуру, а для некоторых операций – еще и 64-битную обработку. По сути, этот процессор открыл новую эру в мире персональных компьютеров, значительно увеличив их возможности. Он стал родоначальником целой линии процессоров, унаследовавших не только передовые архитектурные инновации, например суперскалярные и многоконвейерные архитектуры, механизмы предсказания адресов ветвления, раздельное кэширование, но даже само имя.
Действительно, вскоре после Intel Pentium вышли еще более совершенные Pentium Pro (1995 г.), Pentium MMX (1997 г.), Pentium II (1997 г.), Pentium III (1999 г.), Pentium 4 (2000 г.) и др. Не остались в стороне и конкуренты – часть их новинок были по сути клонами, выпускаемыми по лицензии, с небольшими фирменными изменениями.
Вместе с процессорами эволюционировали и подсистемы оперативной памяти: от FPM (Fast Page Mode) DRAM – к более совершенным типам DRAM в лице EDO, SDR, DDR.
Системы длительного хранения данных тоже претерпели серьезные изменения. В начале 90-х жесткие диски (HDD) сперва потеснили, а затем фактически вытеснили из этой сферы своих гибких собратьев, став в результате основным средством хранения данных в компьютерах. Их максимальная емкость составляла около 2 Гбайт – более чем в 1000 раз выше по сравнению с 3-дюймовыми гибкими дисками (1,44 Мбайт), однако почти в 10 тысяч раз меньше емкости современных старших моделей HDD. Справедливости ради следует добавить, что тогда был анонсирован выпуск и более емких дисков, но в первое время они были недоступны большинству пользователей из-за высокой цены и ограниченного тиража.
Очевидно, что параллельно с процессорами и накопителями эволюционировали и другие компьютерные компоненты, в первую очередь средства видео и аудио. Они поставлялись, как правило, в виде полноразмерных карт расширения, которые вставлялись в разъемы материнских плат. Сами же платы менялись в соответствии с развитием компонентов, внутренних и внешних интерфейсов и, конечно, сменой большого числа стандартов, в том числе среди процессорных разъемов (сокетов, от socket). Всё это обеспечило рост возможностей компьютеров и позволило решать все более сложные задачи.
При этом часть задач потребовала соединения компьютеров в сети, что, в свою очередь, потребовало разработки соответствующих средств передачи данных, основанных на принятых ранее стандартах. В качестве примера можно привести Ethernet. Изобретенный в 1973 году и ставший стандартом в 1980-м, пройдя длинный путь совершенствования, он был реализован в большом числе продуктов. Соответствующие карты расширения стали массовыми компонентами компьютерных систем и вместе с линиями передач цифровых данных были поддержаны специализированным программным обеспечением.
Следует отметить, что в процессе развития указанные средства обеспечили переход от локальных, сравнительно небольших вариантов к грандиозным структурам. Эти структуры нередко содержали сотни, тысячи, а впоследствии и миллионы объединенных в глобальные сети компьютеров, постепенно охватив весь мир.
Точкой отсчета широкого внедрения Всемирной сети (названной Интернетом) стал 1993 год – число сайтов к этому времени уже превысило сотню. Необходимо отметить, что Сеть стала более доступной для общественности после появления соответствующих аппаратно-программных инструментов. Хотя первым веб-браузером был WorldWideWeb, созданный в 1990 году Тимом Бернерсом-Ли (Timothy John Berners-Lee) и позже переименованный в Nexus, все-таки широкое распространение получил созданный в 1993 году Mosaic — первый веб-браузер с графическим интерфейсом: его исходный код был открыт и последующие разработки взяли его за основу. На начало 1995 года доля абсолютного лидера рынка – Netscape Navigator – составляла порядка 80%. А доля Internet Explorer не достигала и 5%, однако именно этот браузер от компании Microsoft к 2001 году контролировал уже 96% рынка.
В 1995 году был принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность работы в режиме полного дуплекса. В 1997-м был принят IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну, а еще через два года — для передачи по витой паре. В 1997 году вступил также в силу стандарт беспроводной связи 802.11, получивший наименование Wi-Fi. Появление удобных и высокоэффективных инструментов обеспечило высокую скорость компьютерных сетей и стремительный рост Всемирной паутины.
Остается добавить, что Интернет преобразил информационное пространство: упростив обмен данными, он открыл новые возможности для коммуникаций людей, а также различных устройств, в частности механизмов, управляющих процессами.
2000–2010 гг.: эпоха мобильных устройств и социальных сетей
В начале 2000-х произошел взрыв роста мобильных технологий. Мобильные телефоны превратились в миниатюрные компьютеры – с высокой вычислительной мощностью, доступом в Интернет и широким спектром функций, и их стали называть смартфонами.
Очередной продукт от Apple, получивший наименование Apple iPhone и представленный в 2007 году, стал важным этапом: это и последующие устройства линейки iPhone внесли и продолжают вносить огромный вклад в развитие и популяризацию смартфонов.
В это же время появились многоядерные процессоры. Чуть позже в их микроархитектуре на аппаратном уровне были реализованы 64-битные операции. Все это позволило значительно увеличить вычислительную мощь компьютеров.
Эволюционировали и элементы оперативной памяти: начиная с 2004 года в компьютерах появились модули DDR2 SDRAM, обладающие бóльшим быстродействием по сравнению с DDR SDRAM. Системы долговременного хранения данных стали более быстрыми и емкими. В качестве примера можно привести вышедшие в 2000 году первые жесткие диски со скоростью вращения шпинделя 15 тыс. оборотов в минуту, выпущенные компаниями Seagate и IBM. В следующем году Maxtor предложил DiamondMax D536X — первый стандартный 3,5-дюймовый HDD с информационной емкостью 100 Гбайт. В 2005-м стартовал Hitachi Deskstar 7K500 HDD 500 Гбайт, а в 2010-м компания Seagate предложила 3,5-дюймовый HDD 3 Тбайт.
Однако настоящим прорывом в гонке за терабайтами стало появление твердотельных накопителей (SSD). Эти устройства, лишенные движущихся частей, обеспечивают значительно более высокую — в разы — скорость чтения и записи, чем традиционные жесткие диски, и характеризуются повышенной надежностью в условиях вибраций и ударных нагрузок. Как и жесткие диски, SSD прошли длительный путь усовершенствований: по сути, этот процесс непрерывный, он касается как архитектуры самих чипов, так и внутренних и внешних интерфейсов, а также дизайна.
Все эти процессы обусловили значительное повышение производительности компьютерных систем.
2010–2023 гг.: облачные технологии, искусственный интеллект и квантовые компьютеры
В последнее десятилетие мы все стали свидетелями дальнейшего совершенствования компьютерных компонентов, архитектур и технологий, продолжающих преобразовывать наш мир. Благодаря практически безудержному развитию полупроводниковой литографии и микроархитектурных решений размеры транзисторов уменьшаются. Одновременно с этим улучшаются их технические параметры, обеспечивается возможность роста плотности размещения на кремниевых пластинах. Как результат внедрения в практику всех инноваций, число транзисторов в процессорных чипах увеличивается в соответствии с эмпирическим законом Мура.
К сожалению, уже достаточно давно производители процессоров не спешат делиться всеми деталями внутренней микроархитектуры своих продуктов. Не сообщают они и о величине массива транзисторов в своих сверхсложных чипах. Тем не менее кое-какая информация все-таки может быть почерпнута из технической литературы и компьютерных сайтов Интернета.
Так, известно, что в старших процессорах AMD EPYC 7003 (Milan) с 64 ядрами и Intel XCC (Skylake) с 28 ядрами, которые были выпущены несколько лет назад, использовалось около 40 млрд транзисторов. А в 2023 году эти же производители предлагают еще более мощные модели. Например, в каталоге AMD присутствует серверный AMD EPYC 9754 со 128 ядрами, способными работать на тактовой частоте до 3,1 ГГц (базовая частота составляет 2,25 ГГц) и поддерживать 256 потоков обрабатываемых данных. В то же время в каталоге Intel предлагается серверная модель Intel Xeon Platinum 8490H лишь с 60 ядрами, способными работать на тактовой частоте до 3,5 ГГц (базовая – 1,90 ГГц) и поддерживать 120 потоков обрабатываемых данных. Вполне возможно, сегодня число транзисторов уже вплотную приблизилось к 100 млрд. Конечно, соответствующим образом росли и будут расти вычислительные возможности серверных моделей.
К слову, в настоящее время графические средства, основу которых составляют графические процессоры (GPU), по своей сложности не уступают центральным процессорам. Более того, топовые GPU часто по сложности внутренних микроархитектур и числу использованных транзисторов обгоняют не только высокопроизводительные процессоры настольных компьютеров, но и старшие модели процессоров серверных систем. Например, если сравнить число вычислительных ядер в упомянутых моделях, то первенство явно за NVIDIA GA100-GPU, в которой (как сообщил сам вендор) оно составляет 54,2 млрд. Этот графический процессор с микроархитектурой NVIDIA Ampere, выпущенный в 2020 году, содержит 8192 ядра CUDA и 512 тензорных ядер, ориентирован на использование в очень мощных компьютерных системах для ускорения их работы. Подобные системы предназначены для дата-центров – выполнять научные расчеты и обрабатывать большие данные.
Продолжила свой эволюционный процесс и оперативная память: модули DDR2 SDRAM уступили место более совершенным DDR3 SDRAM (финальная спецификация на все три разновидности – DDR3, DDR3L, DDR3U – была опубликована на сайте JEDEC в декабре 2010 года). По сравнению с DDR2 она обеспечивала бóльшую пропускную способность и меньшее энергопотребление, но обладала более высокой латентностью. Однако и эта память постепенно уступила место еще более совершенной — DDR4 SDRAM: по данным Intel, она потребляет на 35% меньше энергии, а по пропускной способности превосходит ее на 50%. В 2017 году продажи памяти DDR4 превзошли модули стандарта DDR3.
Необходимо отметить, что быстро совершенствовались и другие компьютерные компоненты. Традиционно в числе важнейших — накопители информации. Среди них жесткие диски по-прежнему сохраняют доминирующее положение — скорость их эволюции поражает воображение. Созданные в 1956 году, они начали свой бег со скромного значения примерно 3,5 Мбайт. В 1973 году модели IBM 3340 обрели гермокамеру, а система c парящими головками над магнитными дисками обеспечила информационную емкость 30 Мбайт. Первый 3,5-дюймовый HDD емкостью 10 Мбайт появился в 1983 году. А в 2023 году компания Seagate начала поставки жестких дисков емкостью более 30 Тбайт с технологией HAMR: запись в них осуществляется магнитной головкой с помощью локального нагрева миниатюрным лазером, встроенным в конструкцию накопителя. Успешная реализация технологии HARM открывает возможности для дальнейшего увеличения информационной емкости накопителей этого типа. Кстати, в планах Seagate выпуск в 2026 году жесткого диска емкостью 50 и более терабайт!
Конечно, получили развитие и твердотельники. В настоящее время они используются как в мобильных, так и стационарных компьютерах, включая, конечно, серверы. Это делается для повышения дисковых подсистем, а через них и общей производительности компьютеров. Наиболее мощными являются SSD формата M.2 с интерфейсом NVMe: к 2022 году скорость последовательных операций записи/чтения данных в них достигла 12 000 Мбайт/с. И этот показатель продолжает расти – сегодня не являются редкостью накопители с информационной емкостью 2 и 4 Тбайт.
Несмотря на высокие характеристики SSD, производители не оставляют попыток разработать модели, основанные на других принципах. В 2015 году Intel и Micron анонсировали технологию 3D XPoint – устройства с ее использованием получили торговую марку Optain. В марте 2017 года выпущен первый NVMe-накопитель с памятью 3D XPoint — Optane P4800X. А в октябре Intel представила серию Optane SSD 900P с объемом памяти 280 и 480 Гбайт, предназначенных для настольных компьютеров. В дальнейшем был предложен целый ряд продуктов как для корпоративного сектора, так и для потребительских систем. Но, к сожалению, себестоимость моделей, создаваемых на основе 3D XPoint, оказалась чрезмерно высокой, поэтому их выпуск был прекращен. В результате на рынке по-прежнему доминируют традиционные технологии, лежащие в основе твердотельных накопителей.
На сегодня хранение информации на SSD остается более дорогим по сравнению с HDD, но оба вида накопителей удачно дополняют друг друга в иерархических системах хранения информации. При этом в таких системах HDD обеспечивают относительно недорогое и энергонезависимое хранение больших объемов информации, а SSD — быстрый доступ к оперативной информации с высокими скоростями операций записи, чтения и передачи цифровых данных.
Необходимо отметить, что в последние годы, помимо компьютеров, в качестве систем обработки и хранения цифровых данных нашли широкое распространение NAS (Network Attached Storage) — серверы для хранения данных на файловом уровне. Эти устройства обеспечивают удобный доступ к данным и обмен файлами в рамках локальной компьютерной сети. Каждое из них состоит из платформы (корзины), в состав которой входят материнская плата с многоядерным процессором и модулями оперативной памяти, а также установленных накопителей, представленных HDD, а в последнее время еще и SSD. На рынке представлены модели, рассчитанные на разное количество дисков. Емкостные параметры и надежность хранения информации NAS зависят от набора жестких дисков и сгенерированной версии RAID (Redundant of Independent Disks). Оптимально выбранная и настроенная система не теряет своей работоспособности и надежно сохраняет информацию при выходе из строя части дисков. Доступ к информации осуществляется через скоростные линии связи, а при подключении к NAS роутера — еще и через Wi-Fi.
Еще один способ хранения информации для частных и корпоративных пользователей предоставили облачные инструменты. Необходимо отметить, что облачные технологии, начав свое развитие в 2000-х, стали главным трендом 2010-х годов, предложив доступ к мощным ресурсам и сервисам посредством Интернета. В качестве примера таких хранилищ можно привести Google Drive, Dropbox и Microsoft OneDrive: они предоставляют пользователям возможность хранить и получать доступ к своим данным из любой точки мира, где есть доступ в Сеть. Такой подход обеспечивает удобство и гибкость, позволяет сократить расходы на оборудование и упрощает процесс резервного копирования данных и для корпораций, и для малых предприятий, а также для индивидуальных пользователей потребительского сектора.
Кроме того, все активнее развиваются искусственный интеллект (AI) и машинное обучение. Эти технологии дали нам голосовых помощников (таких, как Siri и Alexa), автономные автомобили и мощные алгоритмы анализа данных. Потенциал AI кажется безграничным, что, кстати, беспокоит часть крупных ученых, которые в последнее время высказывают в СМИ небеспочвенные опасения по этому поводу.
Процессоры в последнее десятилетие развиваются еще шире с внедрением 3D-транзисторов, использованием более совершенных технологий производства и разработкой процессоров для AI-вычислений. Например, компания NVIDIA разработала серию GPU специально для машинного обучения и AI.
Сфера использования технологий виртуальной и дополненной реальности (VR и AR) тоже расширяется – от игр и развлечений до обучения и рабочих пространств.
Квантовые компьютеры, хотя все еще находятся на ранних стадиях развития, обещают предоставить вычислительные возможности, далеко превосходящие возможности современных компьютеров.
Заключение
Процессоры и системы хранения данных являются краеугольными камнями компьютерных технологий. Их развитие в течение трех десятков лет отражает рост и изменение всей индустрии. Благодаря этому, мы получаем в пользование невероятную вычислительную мощь и гибкие методы хранения и доступа к информации. Очевидно, что в будущем информационные технологии еще не раз будут поражать наше воображение и влиять на нашу повседневную жизнь, изменяя и улучшая ее во всех напрвлениях.