Суперкомпьютер или Троичные компьютерные технологии
Наука
11/05/2020

Суперкомпьютер или Троичные компьютерные технологии

Реклама

Автор: Камиль Г.
Суперкомпьютер или Троичные компьютерные технологии
  1. Введение
  2. Предыстория
  3. Троичная логика
  4. Преимущества троичной логики
  5. Преимущества тритов(Трайтов)
  6. Элементы троичных ЭВМ
  7. Узлы троичных ЭВМ
  8. Троичная память
  9. Популярные образцы троичных компьютеров
  10. Заключение
  11. Источники

Введение

История компьютеров начинается с далеких времен. 3000 лет до н.э. в Древнем Вавилоне были изобретены первые счеты. Конечно, счеты, в современном понимании, назвать компьютером, (или электронной вычислительной машиной) язык не поворачивается. Однако для древних людей это было большим шагом на пути к современному миру. На протяжении долго времени эти счеты эволюционировали, и в конечном итоге появились механические сумматоры, смоделированные небезызвестным ученым: Леонардо Да Винчи. Несколькими веками позднее, благодаря таким ученым как Фрадей, Ампер, Эрстед и Тесла, мы приручили электричество, которое служит основой всей вычислительной техники по сей день. И вот в 1938 – 1941 гг. Конрадом Цузе были созданы первые цифровые вычислительные машины “Z1, Z2, Z3”, которые обладали всеми свойствами современного ПК (Персонального Компьютера). А к 1957 г мы вплотную подобрались к инновационным технологиям. В этом году компанией NCR была создана вычислительная машина на транзисторах, принципы которых используются по сей день. В 1958 г. появилась модель первой троичной ЭВМ с позиционной симметричной троичной системой счисления «Сетунь», во главе Н.П. Брусенцова с группой единомышленников.

Предыстория

Из истории известно, что первые попытки создать троичную машину начались немного раньше двоичных машин. Английский изобретатель Томас Фоулер (Thomas Fowler), еще 1840 году, построил механическую вычислительную машину. Многие компоненты, счетной троичной машины были сделаны из дерева. Чтобы добиться высокой точности, Фоулеру приходилось создавать ее в более крупных размерах. Длиной в 2 метра, глубиной 1 метр, шириной 30 см. К сожалению, троичная машина Фоулера не сохранилась до наших дней. И многие достижения Томаса Фоулера остались бы неизвестными, если бы не сын, который написал его биографию. В начале 60-х годов МГУ им М.В. Ломоносова была разработана троичная ЭВМ под руководством Н.П. Брусенцова. Новому троичному компьютеру было дано название Сетунь. Машину назвали по имени речки, протекавшей недалеко от университета. Данная машина по своей элементной базе относится ко второму поколению компьютеров. Но по своей архитектуре абсолютно отличается от своих современников, т.к. основывается на троичной логике. Серийный выпуск «Сетуни» был непродолжительным, с 1962 по 1965 год. Но это была первая троичная ЭВМ, выпускаемая серийно. Ее конструктивные особенности были таковы, что она могла адресовать одновременно только один трайт оперативной памяти. Использовалась троичная система счисления: 0, 1, -1. И только для чисел с фиксированной точкой. Оперативная память на ферритовых сердечниках емкостью в 162 трайта. В качестве внешней памяти, использовался магнитный барабан, предшественник современных жестких дисков. На нем вмещалось до 4000 трайт. Пропускная способность шины памяти составляла 54 трайта. Что давало высокую производительность и не слишком частое обращение, к медленной внешней памяти. Троичная машина выполняла порядка четырех тысяч операций в секунду. Ввод и вывод происходил через телетайп и перфоленту. Чтение с последней 800 строк/с, запись 20 строк/секунду. «Сетунь» имел 37 электронных ламп, 300 транзиторов, 4500 полупроводниковых диодов, 7000 ферритовых колец. «Сетунь» занимала около 30 квадратных метра и потребляла 2,5 кВт. Кроме Бруснецова в разработке данной машины участвовали: С.П. Маслов, Е.А. Жоголев, В.В. Веригин. (Для сравнения современный компьютер потребляет 0,3кВт электроэнергии)

Счетная троичная машина Томаса Фоулера

Троичная логика

Троичная логика – один из видов алгебры логики, предложенный Яном Лукасевичем в 1920г. Перечень значений нечёткой трёхзначной логики с двумя чёткими и с одним нечётким значением помимо «истинно» и «ложно» включает также третье значение, которое нечётко и трактуется как «не определено» или «неизвестно» (-1, 0, 1) || (0, 1, 2) и др. Троичная логика, в отличие от двоичной, небулево кольцо и обладает собственным математическими свойствами. Он состоит из системы аксиом, которые определяют над множеством {«1», «0», «1»} одноместные и двухместные операции, а также выводимые из них свойства. При физической реализации троичным функциям в троичной логике соответствуют троичные логические элементы, в общем случае не обязательно электронные.

Схемы с 3-4-значной логикой дают возможность сократить количество используемых логических и запоминающих элементов, а также межэлементных соединений. Схемы трёхзначной логики легко реализуются на КМОП-технологии. Трёхзначная логика обладает большей выразительностью, чем двухзначная. Например, существует лишь 16 комбинаций входов-выходов двухвходового двоичного вентиля, тогда как у аналогичного троичного вентиля таких комбинаций 19 683.

Как раз на этих троичных элементах в 1959 г. Н.Бусенцовым и его командой была спроектирована ЭВМ «Сетунь».

Преимущества троичной логики

У некоторых людей эта логика вызывает затруднения. Они говорят, например: приведите пример подобной логики в жизни. Человек, немного подумавший над этой логикой поймет, что она более жизненна чем двоичная. Обычный пример троичной логики в жизни связан с постоянным током: ток движется в одну сторону, в другую сторону, его нет. 1. Меньше разрядов Возьмем число 10 в десятичной СС и переведем его в двоичную СС, получим 1010, переведем в троичную симметричную СС, получим +0+, ну а если в троичную несимметричную СС, то получим 101. Из этого мы видим, что в некоторых числах в троичной симметричной и несимметричной СС-ах меньше разрядов, чем в двоичной СС. 2. Емкость Троичная СС вмещает больший диапазон чисел, т.к. 3^n>2^n (где n-натуральное число) 3. Экономичность системы счисления

Экономичность системы счисления — запас чисел, который можно записать в данной системе с помощью определенного количества знаков. Чем больше запас тем экономичнее система. По затратам числа знаков (в трёхразрядном десятичном числе 3*10=30 знаков) наиболее экономична из позиционных показательных несимметричных систем счисления. Обозначим p основание системы счисления, n количество требуемых знаков. Тогда получим n/p разрядов требуемых для записи этого набора знаков в заданной системе счисления, а количество чисел которое при этом можно записать будет равно pn/p.

Преимущества Трайтов

Троичные ЭВМ (компьютеры) обладают рядом преимуществ по сравнению с двоичными ЭВМ (компьютерами). При применении симметричной троичной системы счисления и сложение и вычитание производится в одних и тех же двухаргументных полусумматорах — полувычитателях или сумматорах — вычитателях без преобразования отрицательных чисел в дополнительные коды, то есть ещё немного быстрее, чем в двоичных полусумматорах и в двоичных полных сумматорах, где необходимо преобразовывать отрицательные числа в дополнительные коды. Троичная логика целиком включает в себя двоичную логику, как центральное подмножество, поэтому троичные ЭВМ (компьютеры) могут делать почти всё, что делают двоичные ЭВМ (компьютеры), плюс возможности троичной логики.

Элементы троичных ЭВМ

• Импульсные Феррит-диодные троичные элементы Н. П. Брусенцова, аналогичные двоичным элементам ЛЭМ-1

• Потенциальные a. Трехуровневые Трёхуровневые потенциальные логические элементы, в которых трём устойчивым состояниям соответствуют три уровня напряжения (положительное, нулевое, отрицательное), (высокое, среднее, низкое) При последовательной передаче данных по одной линии объём одномоментно передаваемых данных увеличивается в 1,5 раза на один троичный разряд, но, из-за меньшего быстродействия самой трёхуровневой физической системы, итоговое быстродействие получается меньшим, чем у двоичной системы. При параллельной передаче данных, по сравнению с троичной трехбитной системой, уменьшает количество проводников, но уменьшает быстродействие. b. Двухуровневые Двухуровневые, потенциальные в которых логические элементы имеют два устойчивых состояния с двумя уровнями напряжения (высокое, низкое), а троичность работы достигается системой обратных связей.

Двухбитные • Двухуровневые двухбитные. По скорости равны троичным двухуровневым трехбитным триггерам. По сравнению с обычными двоичными триггерами в 1,5 раза увеличивают прямые аппаратные затраты.

Трехбитные • Двухуровневые трехбитные По скорости равны троичным двухуровневым двухбитным триггерам. По сравнению с обычными двоичными RS-триггерами увеличивают объём хранимых и передаваемых данных в 1,5 раза на один разряд.

Наиболее экономичны с точки зрения аппаратных затрат (уменьшают прямые аппаратные затраты приблизительно на 6 % по сравнению с затратами на двоичных триггерах). Быстродействие выше, чем в обычной двоичной системе.

Узлы троичных ЭВМ

Троичные сумматоры

Полный троичный тринарный (трёхоперандный) одноразрядный сумматор является неполной троичной логической тринарной (трёхоперандной) функцией.

Троичные триггеры

Троичные регистры

Простейшие троичные процессоры на троичных регистрах сдвига, выполняющие операции умножения и деления на и , прибавления и вычитания и , умножения и деления на и , прибавления и вычитания и .

Троичная память

По элементной основе троичные ячейки памяти могут быть построены: — на триггерах, подобно двоичной SRAM, высокое быстродействие, но дорого из-за большего числа транзисторов на ячейку; — на конденсаторе с транзистором, подобно двоичной DRAM. Ёмкость в 1,5 раза больше, но в 1,5 раза ниже быстродействие и в 1,5 раза ниже помехоустойчивость. Троичная DRAM построена, подобно двоичной, на элементе с одним конденсатором и одним аналоговым ключом, работающим и с положительными и с отрицательными сигналами, но с биполярным зарядом конденсатора.

При одинаковом числе конденсаторов ёмкость троичной трёхуровневой DRAM увеличивается в 1,5 раза. При этом трёхуровневая DRAM, по сравнению с двухуровневой имеет в 1,5 раза меньшее быстродействие.

Популярные образцы троичных компьютеров

Как я уже отмечал ранее первой цифровой успешной версией троичного компьютера (ЭВМ) был «Сетунь» 1959г выпуска. Создание данного ЭВМ занимались такие ученые как Е. А. Жоголев, В. В. Веригин, С. П. Маслов, А. М. Тишулина, Н.П. Брусенцов. Интересный факт, что массовое производство Трайтов осуществлял Казанский завод математических машин, где было произведено 46 машин, 30 из которых использовались в университетах СССР. Тактовая частота процессора «Сетунь»: 200кГц. (это не составляет даже 10й части на фоне современных ПК) Производительность такого компьютера: 4 500 оп/сек. Запоминающим устройством служил: магнитный барабан, скорость вращения которой — 6000об/мин Потребляемая мощность: 2,5 кВт Количество электронных ламп: 20шт.

Неким G.Frieder — ом в 1973 г был создан эмулятор троичной арифметики на 2ом компьютере, называемый Ternac. Ternac был написан на первом языке высокого уровня «Фортан». Реализация эмулятора TERNAC была предпринята, чтобы узнать, возможна ли реализация не двоичной структуры на двоичном компьютере, и каков расход памяти и времени. Как проверка возможности, эта попытка была успешной. Первая версия этой реализации доказала, что скорость и расход памяти были того же порядка, как и при двоичных вычислениях.

Заключение

Анализируя данный реферат, задаешься вопросом: Раз уж у Троичных ЭВМ (Или Трайтов, как уже привыкли) так много преимуществ, почему растет и процветает двоичная арифметика в современных ЭВМ. Казалось бы и затрат на построение меньше, и алгебра логика уже была полностью продумана, и даже были созданы первые успешные образцы Трайтов. Безусловно у Трайтов есть и недостатки, о которых я писал выше, но даже, учитывая их, Трайты перспективнее ЭВМ с двоичной логикой. Проблема в том, что к моменту освоения троичной алгебры и построения моделей таких ЭВМ, двоичные компьютеры захватывали все большую и большую часть рынка. Было написано много программ, область применения которых распространялось по всему миру. В наши дни Трайты уже совсем вымерли и образцы вы можете встретить только в музеях ЭВМ. В перспективах возрождения Троичных ЭВМ: Возможно в узких кругах, компаниях будут возобновлены разработки Трайтов со своими системами и программами для выполнения конкретных задач.

Источники

Вконтакте
Класснуть
Отправить
Вотсапнуть

Реклама