04. Основные компоненты компьютера и их функции

Раздел 1. Компьютер, устройства компьютера. Процессор

Современные люди едва ли не каждый день, а то и несколько раз в день сталкиваются с различными электронными устройствами. Без компьютера, смартфона, стиральной машины или микроволновки уже почти невозможно представить жизнь человека. Практически у каждого есть мобильный телефон, а у многих — планшеты, компьютеры и другая техника.

Все перечисленные устройства, а также многие другие, такие как кухонная техника, умные часы, телевизоры, игровые приставки, имеют внутри себя встроенную систему, которая управляет работой всего устройства, — небольшой компьютер.

Почему мы называем такие устройства компьютерами? Потому что они способны воспроизводить определённые наборы команд, которые называются программами. Компьютерная программа — это определённый набор действий, выполняемый компьютерной системой. Если какое-то устройство выполняет определённые наборы действий, сложнее, чем включиться и выключиться, то мы смело можем говорить о наличии внутри него компьютера.

Конечно, само понятие компьютера может уточняться в зависимости от сферы применения и того, в каком контексте мы о нём говорим. Можно провести аналогию, например, с понятием текста с точки зрения литературы и информатики. С точки зрения информатики текст — это всего лишь набор символов вне зависимости от того, на каком языке он написан или какую мысль несет (и несёт ли вообще). В литературе же к понятию текста выдвигаются определённые требования: разделённость на предложения, связь предложений между собой, литературная обработка, наличие главной мысли и так далее.

Вернёмся к компьютеру и попробуем сформулировать принятое сейчас определение этого термина: компьютером называют любое электронное устройство, способное выполнять определённую последовательность команд.

С момента своего появления вычислительная техника превратилась в неотъемлемый атрибут жизни человека. Как только были изобретены первые компьютеры, принципы их работы стали применяться при разработке других устройств: достаточно посмотреть на свой смартфон или планшет. Несмотря на скромные размеры, они во много раз превосходят первые вычислительные машины по техническим параметрам и продолжают развиваться с поразительной скоростью.

История развития ЭВМ

С древнейших времен люди применяют вычисления при решении различных задач, например деление земли на участки, строительство сооружений, навигация, сельское хозяйство. Со временем вычислительные задачи становились всё сложнее, поскольку люди стали применять всё более совершенные технологии строительства, сельского хозяйства, производства, металлообработки и так далее. Появилась необходимость разработки более совершенных вычислительных устройств. От первых примитивных счётов человечество прошло этапы логарифмических линеек, затем сложных арифмометров, далее — ламповых компьютеров и, наконец, пришло к современным компьютерам, основанным на полупроводниках.

Историю развития компьютеров с момента конструирования первой вычислительной машины и до сегодняшнего времени принято описывать в терминах поколений ЭВМ. Это разделение очень условное. Связано оно с развитием аппаратных компонентов и программ, а также способов общения с компьютером.

Процесс модернизации компьютеров и развития компьютерных программ шёл непрерывно. Трудно установить, когда поколение начиналось и заканчивалось.

На рубеже 50-х годов появились машины первого поколения. Элементной базой им служили электронные лампы. Первые компьютеры занимали огромные площади и потребляли большое количество электроэнергии. От специалиста, обслуживающего такое устройство, требовалось не столько знание, как с ним обращаться, сколько физическая выносливость.

Программное обеспечение практически отсутствовало. Программы составляли математики, затем их вручную вводили и отлаживали.

Несмотря на ограниченные возможности, эти машины позволили выполнить сложнейшие расчёты, необходимые, например, для прогнозирования погоды или решения задач атомной энергетики.

Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счёта.

Потребовались новые конструктивные решения, средства для составления и отладки программ. Работы над созданием вычислительных машин вели инженеры из разных стран, в том числе Советского Союза.

В 1951 году в СССР была запущена в эксплуатацию первая малая электронная счётная машина — МЭСМ.

Сконструировал её Сергей Алексеевич Лебедев. А в 1953 году была запущена БЭСМ (большая электронная счётная машина) — самая производительная в Европе в то время.

Второе поколение ЭВМ появилось в 1955–1965 гг.

Элементной базой им служили как электронные лампы, так и транзисторы — более быстрые, компактные и энергоэкономные логические элементы.

Примерно в то же время появляются устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны, первые магнитные диски.

Ёмкость памяти первых компьютеров составляла до 100 КБ, и они могли выполнять до сотен тысяч операций в секунду.

 К середине 1960-х годов мировой парк машин второго поколения оценивался в 30 000 штук.

В компьютерах третьего поколения использовались интегральные схемы, которые также называются микросхемами, появились операционные системы.

Быстродействие машин достигло нескольких миллионов операций, а ёмкость внутренней памяти — нескольких мегабайт.

Компьютеры третьего поколения имели единую архитектуру, то есть были программно совместимыми. Это означает, что разные компьютеры могли управляться одними и теми же программами, поскольку были устроены одинаково.

Четвёртое поколение ЭВМ — это поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года. Аппаратная часть этих компьютеров была реализована на микропроцессорах.

 Главное их отличие от компьютеров третьего поколения состояло в том, что они были ориентированы на использование языков программирования, которые упрощали процесс программирования для конечного пользователя.

Быстродействие этих машин составляло до нескольких десятков миллионов операций в секунду, а ёмкость оперативной памяти — порядка десятка мегабайт.

Примерно в это же время появляются первые персональные компьютеры.

Пятое поколение ЭВМ — это так называемые машины будущего. Предполагается, что пятое поколение ЭВМ будет обрабатывать огромные объёмы человеческих знаний. Для их реализации нужна принципиально новая вычислительная схема, способная реализовать огромные вычисления за небольшое время. Часто можно встретить мнение, что ЭВМ пятого поколения должны базироваться на технологии квантовых вычислений.

Существуют разные мнения на счёт того, к какому поколению ЭВМ следует относить современные компьютеры. И в этом нет ничего странного: мы уже говорили, что любая классификация условна. И эта, конечно, не исключение.

Поскольку принципиально состав элементной базы и принципы функционирования современных компьютеров схожи с ЭВМ четвёртого поколения, то скорее их стоит отнести именно к этому поколению. Конечно, в современных компьютерах мы можем наблюдать некоторые функции ЭВМ будущих поколений: голосовое управление, элементы искусственного интеллекта, распознавание текста и изображений. Но что важнее всего в данном вопросе, все предыдущие поколения ЭВМ отличались друг от друга весьма существенно, можно даже сказать, революционно, то есть каждое новое поколение ЭВМ отличалось от предыдущего принципиально новыми технологиями и решениями. Но современные компьютеры в сравнении с компьютерами конца 80-х годов отличаются в основном лучшими показателями быстродействия на счёт большего количества вычислительных элементов, лучшей энергоэффективности и компактности. Поэтому для того, чтобы с уверенностью сказать о начале эпохи пятого поколения ЭВМ, необходимо появление принципиально другой технологии обработки информации. Это ожидается в первую очередь от квантовых компьютеров.

В настоящее время компьютерная система, как правило, включает несколько устройств. Технологически каждое из них выполняет самостоятельную функцию, однако работать отдельно от других с практической пользой для пользователя не может. Можно провести аналогию с человеческим организмом. Наш организм можно рассматривать как систему, состоящую из определенного набора различных органов и тканей, но без их слаженной работы или при отсутствии некоторых из них человек жить не сможет. Равно как и они — работать отдельно или независимо друг от друга.

Архитектура современных ЭВМ

Подобно тому как проектировщики и архитекторы разрабатывают конструкцию, строение и внешний облик здания, так и разработчики компьютеров результат своего проектирования представляют в виде схем, объясняющих конструкцию, и правил соединения компонентов компьютера.

Вы могли читать или слышать об архитектуре разных зданий. Архитектура здания, если сказать упрощённо, — это схема, по которой здание построено. Данный термин можно применить и в других сферах. В информатике архитектурой компьютера называется схема, в соответствии с которой выполнено устройство компьютера.

Принципы построения ранних ЭВМ подразумевали способ работы, при котором для изменения даже одного значения в программе было необходимо перенастраивать всю систему, что занимало ощутимое количество времени.

Только представьте, что вам нужно внести изменения в программу, но на это уходит минимум несколько часов! Программа же при этом работает несколько минут. Неудобно, верно? А как вам такой пример: все числа хранились в десятичном виде, что требовало огромных ресурсов для хранения данных! Представьте, что для представления чисел вы используете палочки. Чтобы получить число, например 10, вам нужно будет взять 10 палочек и выложить их в одну ячейку, которая может их вместить. То есть она должна быть в 10 раз больше, чем ячейка для хранения одной палочки.

В двоичном же виде число 10 представляет собой более компактную форму записи: 1010. Таким образом, нам потребуется всего две палочки и две пустые ячейки. Ячейки при этом должны быть способны вмещать только одну палочку. А теперь представьте, что вместо палочек у нас есть механизм подачи тока, а вместо пустой ячейки отсутствие тока. В случае с десятичной формой хранения числа потребуется механизм, способный выдавать 10 различных уровней сигнала, в то время как для двоичной записи числа достаточно только механизма включения/выключения подачи тока.

В 1940-х годах XX века группа учёных из США разработала принципиально новую для того времени архитектуру ЭВМ, которой мы пользуемся и по сей день. Эта архитектура была названа именем одного из учёных, разработавших её, — архитектура фон Неймана.

Согласно фон Нейману, ЭВМ должна обрабатывать данные в двоичном виде, поскольку один бит информации достаточно легко хранить и обрабатывать (есть ток — 1, нет тока — 0). На тот момент это был достаточно значимый технологический скачок в вопросе внутренней работы ЭВМ.

Также фон Нейман предложил хранить всю программу в памяти машины, что существенно ускоряло процесс программного управления. По сути, ЭВМ стали перепрограммируемыми.

Ещё один из принципов этой архитектуры заключался в том, что любая ячейка памяти должна иметь свой адрес. Это ускоряло обмен данными между центральным процессором и памятью.

Схема ЭВМ, построенных по принципам фон Неймана, показана на рисунке. Данные и команды поступают от устройств ввода или из памяти на входы арифметико-логического устройства (АЛУ), которое, в свою очередь, выполняет команды. Далее АЛУ отправляет результаты вычислений в память либо на устройство вывода. Управляющее устройство организует все вышеуказанные процессы.

 Информационная деятельность человека направлена на получение, передачу, хранение и обработку информации.

В любом компьютере имеются идентичные компоненты:

• процессор — обрабатывает информацию по заданной программе;

• память — предназначена для хранения

• устройства ввода и вывода информации.

Основные компоненты располагаются внутри корпуса компьютера. Если у вас стационарный компьютер, то его корпус называется системным блоком. В случае ноутбука все основные компоненты расположены внутри его нижней части, под клавиатурой. У моноблока — внутри корпуса за экраном.

Таким образом, все устройства можно разделить на внутренние (это те, которые располагаются внутри корпуса) и внешние (которые подключаются к компьютеру извне).

Работа компьютера подчиняется программе, заложенной в него. Однако поскольку все программы создаются людьми, мы можем также утверждать, что работа компьютера во многом зависит и от человека. Пользователь же, если программа позволяет ему, может вводить данные для работы тех или иных программ, но компьютер всё равно подчиняется командам программы. Если человек хочет, чтобы компьютер работал определённым образом, то эта логика должна быть заложена внутри программы. Либо же придётся написать новую программу.

Давайте обратимся к схеме и посмотрим, какие компоненты входят в состав привычного нам настольного компьютера.

Итак, внутри системного блока располагаются следующие компоненты.

Процессор. Главный вычислительный инструмент компьютера. Выполняет команды по заданным программам.

Процессор получает в качестве входной информации определённую последовательность команд, а после их выполнения выдаёт результат дальше: на устройства вывода или в память компьютера.

От того, насколько мощный установлен процессор, зависит скорость обработки информации.

При выборе процессора следует учитывать ряд важных характеристик: количество ядер и тактовую частоту, наличие видеоядра и его производительность, а также тепловыделение. Подробнее об этих характеристиках мы поговорим чуть позже.

Наиболее известными производителями процессоров для компьютеров и ноутбуков являются две крупные компании: Intel и AMD. Если же говорить о мобильных устройствах (телефонах, планшетах), то сюда относятся Qualcomm, Samsung, Apple, MediaTek.

Также ведущие производители распределяют компоненты, которые они выпускают, по сериям.

Это упрощает выбор, так как разные серии, семейства и поколения позволяют решать разные задачи.

Современные процессоры многоядерные. Их количество варьируется от 2 до 32. Многоядерный процессор распределяет нагрузку между несколькими «вычислительными центрами», за счёт этого производительность компьютера растёт. Он решает несколько задач одновременно и не тормозит, не зависает, когда сталкивается с особенно сложной задачей.

Ключевой характеристикой процессора является тактовая частота. Если просто, то это количество операций в единицу времени, которое может выполнять процессор.

Чем выше тактовая частота, тем производительнее процессор.

Одним из важнейших параметров также является так называемый техпроцесс. Он говорит о размерах основных компонентов процессора — транзисторах. А чем меньше транзистор, тем их больше можно поместить внутрь процессора, тем самым увеличив его мощность и быстродействие. Сейчас самые технологичные процессоры выполняются по техпроцессу 5 нанометров (5 миллиардных долей метра, или 5 миллионных долей миллиметра). В перспективе ожидается появление процессоров с техпроцессом менее 2 нанометров.

Отдельного внимания заслуживают так называемые гибридные процессоры, в которых центральный процессор объединён с графическим. Они используются при решении несложных задач. А вот, скажем, для видеомонтажа такие процессоры уже не подойдут.

При описании характеристик процессора указывают также кеш-память.

Кеш — сверхоперативная память, её располагают прямо на кристалле процессора.

Она позволяет уменьшить среднее время доступа к компьютерной памяти и за счёт этого увеличить быстродействие процессора.

Чем мощнее процессор, тем больше его тепловыделение при работе на максимальной мощности. Иногда перегрев приводит к снижению производительности.

На уроках физики вы будете изучать свойства электрического тока. Для нас сейчас важно такое свойство: чем больше тока проходит через материал, тем сильнее этот материал нагревается. Чем мощнее процессор, тем больше тока он может пропускать через себя под нагрузкой, например во время игр, отрисовки видео, 3D-моделирования. Как следствие, мощные процессоры будут выделять больше теплоты, чем слабые.

Суперкомпьютеры

Для решения задач, требующих огромных и сложных вычислений, инженеры разработали сверхмощные компьютеры — суперкомпьютеры. Главная особенность суперкомпьютеров — одновременный расчёт множества параметров в параллельных процессах. Они способны просчитывать самые сложные модели на сегодняшний день: различные параметры Вселенной, прогнозирование спроса на определённые товары на основании огромного количества входных данных о продажах, прогнозирование погоды и другие. В России имеется несколько суперкомпьютеров. Самыми мощными из них являются «Червоненкис», «Галушкин», «Ляпунов» (всеми тремя владеет компания «Яндекс»), Christofari Neo и Christofari (владелец обоих — Сбер), «Ломоносов» (установлен в МГУ им. Ломоносова) и Grom от компании МТС. Суперкомпьютеры «Яндекса» используются для перевода текстов с одних языков на другие, а также для работы голосового ассистента Алисы. Суперкомпьютеры также участвуют в работе поискового сервиса «Яндекс».

Суперкомпьютеры от компании Сбер созданы для решения задач обучения искусственного интеллекта и анализа огромных массивов данных.

Суперкомпьютер «Ломоносов» используется для решения научных задач и проведения исследований.

MTS Grom призван решать задачи по развитию цифровых сервисов компании МТС. На основе данных от пользователей сервисов компания планирует повышать эффективность своего бизнеса.

В мире существует достаточно много суперкомпьютеров для решения задач различных компаний. Периодически публикуется их рейтинг, демонстрирующий мощность суперкомпьютеров. Российские суперкомпьютеры являются постоянными членами этих рейтингов. На начало 2022 года самый мощный из российских — «Червоненкис» — занимает 19-ю строчку рейтинга, а Россия занимает 7-е место в рейтинге стран, имеющих суперкомпьютеры.

Современные процессоры призваны решать весьма широкий спектр задач. Некоторые из задач могут требовать большой вычислительной мощности. В этом случае процессору придётся работать под повышенной нагрузкой в течение долгого времени, что приведёт к избыточному выделению теплоты и росту температуры. Это значит, что процессору нужна эффективная система охлаждения. Для этой цели устанавливается кулер.

Кулер — основной элемент охлаждения процессора. Он представляет собой вентилятор, который устанавливается поверх процессора. Слово «кулер» происходит от английского глагола «to cool» — «охлаждать». Поэтому именно таким словом обозначают устройство охлаждения процессора.

Помимо вентиляторных кулеров процессоры могут охлаждаться и жидкостными системами. Они представляют собой герметичную систему трубок с жидкостью внутри них и охлаждающего вентилятора. Вентилятор в данном случае отводит тепло не напрямую от процессора, а от трубок с жидкостью, благодаря чему они охлаждаются. На уроках физики вы будете изучать тепловые свойства различных веществ, одним из которых является теплопроводность. Жидкость более эффективно проводит через себя тепло: легче нагревается и легче охлаждается. А чем легче нагревается жидкость, тем быстрее она забирает тепло у процессора. При этом более быстрое охлаждение жидкости позволяет ей эффективнее справляться с задачей охлаждения процессора.

Раздел 2. Память компьютера. Устройства ввода-вывода

Следующий компонент, который мы рассмотрим, — это оперативная память. Она предназначена для временного хранения информации. Например, когда вы набираете текст на компьютере, то первоначально он сохраняется в оперативной памяти.

Чем больше открыто программ, тем больше компьютеру понадобится оперативной памяти для хранения этих программ и их данных. А иногда даже одна программа, например современная игра с большим миром и большим количеством персонажей, может потребовать большой объём оперативной памяти для её запуска. Если вы что-то копируете, запустили плеер, чтобы прослушать музыку, скачиваете файл и рисуете на компьютере — будет большая нагрузка на оперативную память. Поэтому чем большего объёма установлена память, тем быстрее компьютер будет открывать программы, сохранять файлы и так далее.

Кроме оперативной, есть ещё внешняя память компьютера. К ней относят носители большого объёма для долговременного хранения информации. Во внешней памяти пользователи хранят файлы: программы, изображения, музыку, а также операционную систему — главную программу на компьютере.

Внешняя память современных компьютеров представлена различными видами — жёстким диском (HDD), твердотельным накопителем (SSD), флеш- накопителями, съёмными жёсткими дисками.

Когда перед инженерами встала задача хранения данных таким образом, чтобы система хранения не зависела от источника питания, были придуманы жёсткие диски — набор кремниевых пластин, запись данных на которые осуществлялась с помощью магнитов. Но такой способ записи и считывания оказался медленным. Сегодня всё большую популярность набирают твердотельные накопители данных (SSD). Внутри них стоит огромное количество специальных транзисторов. Эти транзисторы способны удерживать в себе единицу данных (бит) в течение очень долгого времени, при этом считывание и запись осуществляется в десятки раз быстрее по сравнению с магнитными жёсткими дисками.

Флеш-накопители, съёмные жесткие диски относят к внешним устройствам. Хранение данных на таких устройствах сопряжено с определенными рисками: флешку можно потерять или повредить, да и ресурс у них ограничен. Поэтому в качестве альтернативы стоит рассмотреть хранение данных на специальных серверах — в облачных хранилищах. Они обеспечат лучшую сохранность данных, если только вы не забудете пароль доступа к ним. Но это уже можно рассматривать как более общую систему, состоящую из нескольких компьютеров, поэтому мы не будем подробно останавливаться на ней в этом уроке.

Для внесения информации в компьютер подключают устройства ввода. А для получения информации — устройства вывода.

К устройствам ввода информации относятся:

• клавиатура — для ввода текстовой и числовой информации;

• сканер — для ввода информации с бумажных носителей;

• микрофон — для ввода звуковой информации;

• манипулятор мышь — для ввода (подтверждения) команд пользователя;

• сенсорный экран — для ввода информации с помощью пальцев или стилуса (аналог карандаша или ручки);

• сенсорная панель ввода на ноутбуках (TouchPad) — для ввода информации с помощью пальцев рук.

К устройствам вывода относятся:

• монитор — для вывода визуальной информации пользователю;

• принтер — для вывода информации на бумагу. Бывают цветными и чёрно-белыми;

• колонки, наушники — выводят звуковую информацию.

Устройства ввода и вывода (если они не являются встроенными) подключают с внешней стороны системного блока.

Вероятно, вы читаете этот текст не со стационарного компьютера, а с ноутбука, или моноблока, или даже с мобильного устройства — смартфона или планшета. Поговорим и об этих устройствах, которые, как мы уже сказали в начале урока, также можно рассматривать как виды компьютеров.

Ноутбук — это такой же компьютер, как и стационарный настольный, но все его детали расположены внутри единого корпуса, включая монитор и устройства ввода (клавиатуру и сенсорную панель).

Моноблок — это системный блок, объединённый с монитором. Он требует подключения внешних устройств ввода информации (клавиатуры и мыши).

Раздел 3. Компоненты мобильных устройств

В жизни современного человека огромную роль играют мобильные устройства, поскольку современный мир динамичен и человеку нужно иметь практически постоянный доступ к актуальной информации.

Первые мобильные телефоны появились более 40 лет назад. Но в силу того что на тот момент не существовало технологий создания по-настоящему компактных устройств, первые телефоны были весьма громоздкими, а стоили они столько, что были не по карману большинству населения. Со временем технологии развивались и мобильные телефоны становились всё компактнее, а самое главное — дешевле. Теперь практически каждый взрослый человек может позволить себе это чудо инженерии.

Сегодня смартфоны и планшетные компьютеры объединяют в себе такие функции, как связь, доступ к интернету, развлечения. Редко какой современный человек сможет провести длительное время без смартфона.

Современные мобильные устройства построены на тех же принципах, что и стационарные компьютеры, однако состав их компонентов имеет ряд отличий.

Обязательным компонентом любого мобильного устройства является аккумулятор. Его основная задача — позволять работать с устройством, не имея рядом источника тока. Его главная характеристика — ёмкость, она измеряется в миллиампер-часах. Чем больше это значение, тем больше ваш смартфон сможет работать без подзарядки.

Другим обязательным компонентом любого смартфона и многих планшетов является модуль беспроводной связи. Поскольку одной из важнейших функций данных устройств является связь, то этот компонент весьма важен. Связь может осуществляться с помощью сотовых сетей, технологий беспроводной передачи данных Wi-Fi, Bluetooth, NFC.

Практически во всех мобильных устройствах также присутствует набор датчиков для определения различных параметров: датчик GPS или ГЛОНАСС для осуществления навигации, акселерометр или гироскоп для определения ориентации устройства в пространстве, датчик света для регулировки яркости экрана и датчик приближения для отключения экрана во время разговора.

В остальном же мобильные устройства состоят из тех же компонентов: процессора, памяти, устройства ввода-вывода информации.

Мобильность носимых устройств накладывает определённый отпечаток на производительность их компонентов. Сегодня невозможно создать такой смартфон, который бы тянул все функции стационарного компьютера. Например, даже на самом крутом смартфоне быстродействия не будет достаточно для обработки видеофайлов. Однако это и не является целью создания и применения мобильных устройств.

С момента появления мобильных устройств их функционал расширялся, устанавливались дополнительные компоненты, что требовало повышения быстродействия и вычислительной мощности. Могло показаться, что в скором будущем мобильные устройства сравнятся по мощности с полноценными компьютерами, однако технологии накладывали свои ограничения. Сейчас невозможно создать такое мобильное устройство, которое бы конкурировало с полноразмерными компьютерами. Поэтому в итоге все вычислительные устройства заняли свою нишу: мощные компьютеры для сложных программ, мобильные — для более оперативных нужд.

Есть и чисто физические ограничения — чтобы мобильный телефон был компактным, у него не может быть очень большой экран. Это ограничивает, например, возможности работы с графикой или видео. С другой стороны, развитие технологий, например дополненной или виртуальной реальности, может привести к появлению принципиально новой формы технических устройств. Это позволит создать в будущем некое универсальное устройство, способное решать любые задачи, но при этом довольно компактное и лёгкое.

Работа компьютера в чём-то схожа с тем, как мы выполняем домашнее задание при подготовке к уроку в школе. Имеется некоторое хранилище данных — наш шкаф с рабочими тетрадями, которые внутри себя содержат данные для обработки.

Также имеется письменный стол, на который мы выкладываем тетради (данные для обработки) — это оперативная память. Чем больше наш рабочий стол, тем больше тетрадей мы можем поместить на него. Получаем задание мы с экрана монитора — это аналогия с пользователем, который вводит данные для выполнения команд.

Аналог компьютерного процессора — это мы с вами. Обрабатывая информацию в тетради, мы имитируем работу процессора. Чем быстрее мы можем выполнять домашнее задание, тем мощнее наш процессор. Если бы мы могли выполнять несколько домашних заданий одновременно, например по русскому языку, математике и истории, то мы могли бы по праву считаться полноценным многозадачным процессором. Над каждым предметом работала бы своя голова (ядро процессора), и чем больше было бы у нас ядер, тем быстрее мы выполняли бы домашнее задание и шли гулять.

Человеческую память принято разделять на долговременную и кратковременную. Вот кратковременная память в нашем случае являлась бы аналогом кеша процессора (кратковременной памятью со сверхбыстрым доступом).

Наши глаза, уши и другие органы чувств являлись бы устройством ввода данных, а руки с карандашом или ручкой — устройством вывода.

Таким образом, можно сказать, что работа вычислительного устройства и человека во многом схожа. Слышали когда-нибудь выражение «голова кипит»? Видите связь с перегретым процессором, который долго работал на полной мощности?

Раздел 4. Физические ограничения на значения характеристик компьютеров

Технологический взрыв последних десятилетий заставляет подумать о том, какие устройства придут на смену нынешним стационарным компьютерам, ноутбукам, планшетам.

Ожидается, что уже через 5–10 лет их вытеснят более мощные молекулярные, квантовые, биологические и другие весьма экзотические вычислительные системы.

В 1965 году Гордон Мур — один из основателей компании Intel — сформулировал закон, согласно которому количество транзисторов на микросхеме удваивается за 18 месяцев.

Для обычных пользователей это означает, что техника быстро устаревает, а стоимость новой ненамного увеличивается. Этот факт можно объяснить законом Мура и его влиянием на технологии.

Количество транзисторов не может увеличиваться бесконечно. В ближайшем будущем ожидается внедрение процессоров с техпроцессом менее 2 нм, однако если их количество просто увеличивать, то будет расти и тепловыделение, что приведёт к перегреву всей микросхемы. Самые передовые процессоры сейчас содержат внутри около 50 млрд транзисторов.

Ограничение на размер транзистора внутри процессоров обусловлено самой технологией изготовления транзисторов. Для этого используется лазер, и чем тоньше может быть луч лазера, тем меньше транзистор можно получить. Инженеры десятилетиями изобретают способы получения всё более тонких лучей лазеров, но, судя по всему, в скором времени существующие технологии не позволят развиваться дальше в этом направлении. Компания IBM в 2020 году представила чип, изготовленный по техпроцессу 2 нм. Считается, что дальше 1 нанометрового техпроцесса человечество физически не сможет уменьшать размеры транзисторов. Для увеличения производительности процессоров в будущем человечеству придётся совершить революцию в области материалов и научиться делать транзисторы из углеродных трубок, например. Но пока такие технологии являются недостижимыми.

Таким образом, в ближайшем будущем рост производительности процессоров будет связан не с увеличением количества транзисторов, участвующих в вычислениях напрямую, а, скорее всего, с оптимизацией программ управления устройствами.

Применение компьютера в различных отраслях промышленности и производства

Для управления и автоматизации процессов на производствах используют промышленные компьютеры. Автоматизация процессов означает, что операции выполняются без участия человека.

Например, при производстве продуктов питания часто используют автоматизированные линии для розлива напитков, упаковки продукции, наклеивания этикеток и другого.

Особенно востребовано применение промышленных компьютеров в трудоёмких отраслях.

Они могут заменить людей там, где их пребывание невозможно или нежелательно. Например, на опасных химических производствах.

Вся промышленная компьютерная техника имеет свои особенности и функциональные возможности и зависит от производства, на котором она применяется. Тем не менее у всей промышленной компьютерной техники имеются общие достоинства:

• прочный высококачественный корпус;

• вибро- и влагоустойчивость;

• защищённость от механических повреждений;

• надёжность аппаратной части;

• длительный период использования.

К промышленным компьютерам можно отнести такие виды:

• промышленные компьютеры, хранящие и обрабатывающие производственную информацию;

• переносные компьютерные станции;

• защищённые ноутбуки;

• защищённые планшеты.

Встраиваемые компьютеры — это высокотехнологичные изобретения с большим набором функций. Они чаще всего используются как часть какой-либо системы, в которой имеются ограничения по габаритам, либо в ограниченном пространстве.

Практически все современные предприятия используют специальные компьютеры. Это позволяет эффективно управлять производством и решать поставленные задачи.

Аддитивные технологии

Ещё одной сферой применения компьютеров являются аддитивные технологии. Аддитивные технологии позволяют создавать 3D-объект путём добавления материала способом «слой на слой». Так можно изготовить объекты из пластика, металла, бетона и других материалов.

Аддитивные технологии объединяют использование компьютера и программного обеспечения для 3D-моделирования, а также печатного оборудования и специальных материалов.

Изготовление зубных протезов, уникальных компонентов для самолётов и кораблей, камеры, мобильные телефоны, детали двигателей, внутренняя отделка автомобилей — вот далеко не полный перечень возможностей аддитивных технологий.

Аддитивное производство обеспечивают роботы, они же обслуживают роботизированные машины трёхмерной печати. Технология 3D-печати берёт своё начало в 1980-х годах.

Американский изобретатель Чак Холл выдвинул идею печати трёхмерных изображений. Была разработана технология, получившая название стереолитография (стерео — от греческого «пространственный», лито — от греческого «камень», графия — от греческого «пишу»). Стереолитография представляет собой технологию отверждения материала под действием лазерного луча.

Пик развития 3D-печати начался вместе с появлением в 2005 году принтера, который мог печатать трёхмерные фигуры. Перспектива использования таких принтеров огромна. В основном их применяют в машиностроении, архитектуре, киноиндустрии и медицине.

3D-принтер формирует модель из пластиковых нитей, порошка, керамического порошка и других материалов слой за слоем. Главное, что процесс печати полностью роботизирован.

Нет необходимости в чертежах и расчётах для изготовления даже самого сложного объекта. С помощью программы можно посмотреть на прототип со всех ракурсов, увидеть реальные размеры, пропорции, а также ещё на стадии моделирования исправить ошибки и усовершенствовать продукт.

 Давайте подведём итоги нашего урока. Сегодня можно найти компьютеры для разных целей использования — домашние, офисные, промышленные, мобильные и другие. Каждый из типов будет обладать специфическими функциями.

Вычислительная техника изначально создавалась для производственных нужд человека. Но с изменением элементной базы, появлением дополнительных устройств, программ расширилась сфера их применения. Компьютер стал новым средством труда человека, а впоследствии и инструментом для общения и развлечений.

Обработку информации компьютер производит по заданным программам. Каждый компьютер состоит из процессора, памяти, устройств ввода и вывода. Функции этих устройств схожи с мыслительной деятельностью человека.

Но только представьте себе, что современные компьютеры сделаны по принципам, заложенным более 40 лет назад! С тех времён компьютеры развивались скорее эволюционно: уменьшались компоненты, снижалась стоимость материалов, разрабатывались новые виды компьютеров для узкоспециализированных задач. Но принципиально все современные компьютеры весьма похожи на те, что были 20, 30 и 40 лет назад.

Быть может, в недалёком будущем люди всё-таки реализуют ЭВМ с помощью технологий квантовых вычислений, тогда можно будет говорить о настоящей революции в области конструирования ЭВМ.

Список использованных источников

Рис. 1-4, 2, 1, 3-8, 1. Изображения используются согласно лицензии Shutterstock / FOTODOM

Рис. 1, 1. Иллюстратор Бумастрова А. В.

Список литературы

Информатика. 7-й класс: учебник / Л. Л. Босова, А. Ю. Босова. — М.: Просвещение, 2022.

Домашнее задание

1. Что можно назвать главным вычислительным инструментом компьютера? Какими характеристиками обладает этот инструмент?

2. Зачем компьютеру нужно охлаждение? Охлаждение какого типа используется в компьютерной технике?

3. Что относится к внешней памяти компьютера?

4. В чём заключается закон, который сформулировал Гордон Мур?