Výkonnost výpočetních systémů

Bankovní institut vysoká škola Praha Katedra informačních technologií Výkonnost výpočetních systémů Bakalářská práce Autor: Martin Čečil Informační technologie, správce informačních systémů Vedoucí práce: Ing. Vladimír Beneš Praha Duben, 2010

Prohlášení Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci zpracoval samostatně a s pouţitím uvedené literatury a internetových zdrojů. V Benešově dne 9. 4. 2010 Martin Čečil

Poděkování Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu mé bakalářské práce panu inţenýru Vladimíru Benešovi za odborné vedení, cenné rady a věcné připomínky, které mi při zpracování bakalářské práce poskytl.

Anotace Jak jiţ název napovídá, předkládaná bakalářská práce pojednává o výkonu výpočetních systémů. Po přečtení této práce lze získat představu o výkonu hardwarových součástí počítače. První část se soustředí na historii výpočetních systému, vznik prvních počítačů, jejich vývoj a výkon. Následuje součastný stav hardware, především popis jednotlivých komponent stolních počítačů. Hlavní důraz je kladen na výkon, moţnosti jeho měření a porovnávání různých částí počítače. Poslední kapitola je věnována předpokládanému budoucímu vývoji výpočetních systémů. Klíčová slova měření, mikroprocesor, paměť, počítač, výkon, základní deska Annotation How it s written in the title, the bachelors essay is about computing systems performance. After reading this essay people should get conception of computer hardware parts performance. First chapter is focused on computing systems history, first computers origin, it s development and performance. Next chapter is about present condition of hardware, first of all it s desktop computers components description. The main accent is presented on performance, it s gauging possibilities and comparism of different desktop computer components. The last chapter deals with expected future development of computing systems. Keywords measurement, microprocessor, memory, computer, performance, motherboard

Obsah Prohlášení... 2 Poděkování... 3 Anotace... 4 Klíčová slova... 4 Obsah... 5 Úvod... 7 1 Pohled do historie výpočetních systémů... 9 1.1 Počítací stroje... 9 1.2 Mechanické počítače... 10 1.3 Analytické počítací stroje... 11 1.4 Přehled vývoje skutečných počítačů... 11 1.4.1 Počítače nulté generace... 12 1.4.2 Počítače první generace... 13 1.4.3 Počítače druhé generace... 15 1.4.3.1 Programovací jazyky druhé generace počítačů... 17 1.4.4 Počítače třetí generace... 18 1.4.4.1 Konkrétní výrobci a modely počítačů třetí generace... 21 1.4.4.2 Programovací jazyky třetí generace počítačů... 22 1.4.4 Další generace počítačů... 23 1.4.5.1 Mikroprocesory... 23 1.4.5.2 Osobní počítače... 25 1.5 Historické měření výkonu... 26 2 Současný stav hardware a jeho výkon... 28 2.1 Základní komponenty současných počítačů... 28 2.1.1 Základní deska... 28 2.1.2 Mikroprocesor... 30 2.1.3 Operační paměť... 32 2.1.4 Vnější paměť... 34 2.1.5 Napájecí zdroj... 37 2.1.6 Grafická karta... 39 2.1.7 Zvuková karta... 40 2.1.8 Optická mechanika... 41

2.1.9 Počítačová skříň... 41 2.2 Superpočítače dnešní doby... 41 3 Měření výkonu počítačů v současnosti... 42 3.1 Měření výkonu superpočítačů... 42 3.2 Měření výkonu stolních počítačů... 42 4 Předpokládané trendy vývoje počítačů... 46 Závěr... 48 Seznam použité literatury... 50 Seznam obrázků... 52 Seznam tabulek... 52

Úvod Aniţ si to uvědomujeme, je doba, ve které ţijeme plná porovnávání a testů výkonu. Uţ při běţném nákupu v obchodě s potravinami srovnáme velikost a kvalitu jednotlivého zboţí. Ať vezmeme do rukou ovoce nebo pečivo, vţdy se snaţíme vybrat to největší, nejpohlednější, nejchutnější a s co nejvyšším datem spotřeby. Logicky ani výpočetní systémy se těmto srovnáním nemohou vyhnout. Bohuţel jejich porovnání není tak jednoduché, jak by se na první pohled mohlo zdát. Musíme si uvědomit, ţe všechny počítačové sestavy mají různé výhody a nedostatky. Například sestava jedna bude mít kvalitní zvukovou kartu a základní desku. Sestava dvě bude obsahovat výkonnou grafickou kartu a mikroprocesor. Zhodnotit s jistotou, která sestava bude výkonnější, je nemoţné. Kaţdá bude vynikat v jiné oblasti. Záleţí především na nás, co od počítačové sestavy očekáváme. Jiţ 5 let pracuji ve firmě zabývající se prodejem a skládáním počítačových sestav pro běţné, kaţdodenní uţivatele. Z této krátké ţivotní zkušenosti, jsem dospěl k názoru, ţe znalost výkonu výpočetní techniky těchto zákazníků se v současné době ani nepřibliţuje znalosti, která je potřebná pro správný výběr počítače. V praxi vše probíhá tak, ţe zákazník je zcela odkázán na prodejce a bezmezně věří jeho radám a doporučením. Tento stav vyhovuje nepoctivým prodejcům, kteří se snaţí prodat horší kvalitu za vyšší cenu a zvednout tím své zisky. Z tohoto důvodu je cílem této práce přiblíţit a porovnat výkon počítačů z hlediska hardware a to jak v dobách minulých, tak především v současnosti. Po této větě jistě mnohé z vás napadne otázka proč se věnovat výkonnosti výpočetních systémů v minulosti, kdyţ přítomnost je mnohem zajímavější? Odpověď je velmi jednoduchá. Bez vynálezů v minulosti by neexistoval ţádný z dnešních moderních počítačů. V první části práce se zaměřuji na historii výpočetních systémů, jejich vývoj a výkon. Patří sem například první počítací, mechanické a analytické stroje. Dále skutečné počítače od nulté generace počítačů aţ do začátku devadesátých let. V kaţdém období uvádím nejdůleţitější zástupce generace a jejich technické parametry. Zjistit přesný výkon, například v pouţívaných jednotkách té doby, je u těchto starých strojů velmi sloţité, proto často uvádím pouze rozměry nebo jiné známé údaje. 7

Následuje současný stav hardware, kde se snaţím srozumitelně vyjádřit, z jakých komponent se počítačová sestava skládá a na jaké parametry výkonu jednotlivých součástek je důleţité se zaměřit. U kaţdé části počítačové sestavy je uvedeno rozpětí cen a nejkvalitnější výrobci, aby měl laik představu, z jaké nabídky můţe na českém trhu vybírat. Soustředím se pouze na výkon stolních počítačů. V tomto případě jistě opět vznikne dotaz proč stolní počítače, kdyţ svět směřuje k miniaturizaci a mobilitě? Ano, počítačový svět opravdu jde touto cestou, ale význam stolních počítačů stále je a bude značný. Kaţdý z nás vţdy rád přejde od malých monitorů a kláves na notebooku či netbooku na velký monitor a pohodlnou klávesnici s myší. V předposlední kapitole jsou představeny testovací softwary vyuţívané na testy současných počítačů. Hlavní smyslem této kapitoly je představit testovací nástroje, které jsou volně dostupné, a tak si kaţdý můţe vyzkoušet, jak si vedou součástky jeho počítače v porovnání s ostatními. Následuje stručný výčet oficiálních testů. Tyto testy vyuţívají velké firmy k hodnocení výkonu svých počítačových sestav. Na závěr je pro představu uvedena predikce vývoje výpočetní techniky. 8

1 Pohled do historie výpočetních systémů V této kapitole popíši vývoj výpočetních systémů od jejich počátků aţ do začátku devadesátých let. Zaměřím se hlavně na vývoj hardware potřebného k funkci výpočetních systémů. Periferie a software budou zmiňovány pouze okrajově. Závěr kapitoly ukáţe historické měření výkonu výpočetních systémů. 1.1 Počítací stroje Z pohledu dnešní doby bylo prvním důleţitým faktorem objevení algoritmu, roku 820 matematikem Al-Kohwarizmi. O více neţ osm století později navrhl Wilhelm Schickard ve městě Tubingenu první počítací hodiny, které dokázaly realizovat dvě základní aritmetické operace s přesností na 6 míst. Tento strojek měl dokonce velice primitivní signalizaci přetečení, při překročení rozsahu zazvonil zvonek, ovšem nestal se příliš populárním. Větší komerční úspěch zaznamenal mechanický kalkulátor Blaise Pascala z roku 1644 pojmenovaný Pascaline. Počítadlo dokázalo sčítat a odčítat, bohuţel zvládlo počítat pouze pětimístně. Jeho výjimečnost je ve vyuţití velmi přesných mechanických převodů. Tento způsob se v mechanických počítacích strojích vyuţíval aţ do příchodu technologií, pomocí kterých bylo moţné sestavovat počítače na bázi elektrických a elektronických prvků. Pascaline se prodalo přibliţně 12 exemplářů. Sir Samuel Morland sestrojil počítací stroj schopný násobit a dělit. Něco podobného dokázal jiţ strojek Wilhelma Schickarda, ale Morland vymyslel počítadlo, které nepřevádělo tyto operace na sčítání a odčítání. Byl však podstatně více poruchový neţ stroj pana Pascala. V roce 1674 vynalézá Gottfried Wilhelm von Leibniz první univerzální počítací stroj. Počítal s pěti aţ dvanáctimístnými čísly. Hlavní komponentou tohoto stroje je válec se stupňovitým ozubením, nazvaný Leibnizovo kolo. Mechanizmus však nefunguje ve všech případech. Základní principy tohoto kalkulátoru byly pouţívány dalších 300 let. Francouzský podnikatel a vynálezce Charles Xavier Thomas de Colmar sestavil v roce 1820 první sériově vyráběný počítací stroj, jeho součástí byla vylepšená verze Leibnizova kola. Válečky s devíti zuby různé délky v tomto stroji poháněly malá posuvná kolečka, 9

jejichţ pohyb se přenášel na čítače. Colmarův stroj nazvaný Arithmometer získal v roce 1862 na mezinárodní výstavě v Londýně zlatou medaili. 1 Byl prodáván po dobu devadesáti let, mimo jiné paříţským pojišťovnám a dalším finančním institucím. Prodalo se přes 1 500 exemplářů. 1.2 Mechanické počítače Dalším důleţitým článkem v historii výpočetní techniky byl pan Charles Babbage, profesor matematiky. Tento Angličan se snaţil minimalizovat početní chyby z matematických výpočtů. V roce 1833 zkonstruoval zařízení nazvané Analytical Engine neboli analytický stroj. Dokázal provádět všechny aritmetické operace, které prováděla centrální operační jednotka ( mlýnek ), a to v sekvenci za sebou. Tento stroj byl velice pokrokový. Na jeho řízení byly pouţity děrné štítky, zdrojem energie měl být parní stroj. Paměť byla sloţena z mechanických registrů a uchovávala čísla, která stroj pouţíval. Další částí byl mechanismus na řízení jednotlivých operací. Vstupní a výstupní jednotka byla spojena s tiskárnou. 2 Další převratný krok udělal Babbage za pomoci Augusty Ady Lovace, která napsala několik jednoduchých programů pro řízení jeho stroje. Stala se tak první programátorkou v historii. Toto zařízení nebylo nikdy zcela dokončeno. Obrázek č. 1: Centrální operační jednotka Analytical Engine Zdroj: http://www.cs.uakron.edu/~margush/465/01_images/babbageanalyticalenginemodel.jpg 27.2.2010 1 ZELENÝ, Jaroslav; MANNOVÁ, Boţena. Historie výpočetní techniky. 1. vyd. Praha: Scientia, 2006. s. 19. ISBN 80-86960-04-8. 2 ZELENÝ, Jaroslav; MANNOVÁ, Boţena. Historie výpočetní techniky. 1. vyd. Praha: Scientia, 2006. s. 21. ISBN 80-86960-04-8. 10

1854 Angličan George S. Boole objevuje binární logiku a binární operace. Pomocí tří základních operátorů AND, OR, NOT dokáţe skládat sloţitější formule. Tato algebra, nazvaná Booleova, se stane základem pro skládání různých kombinačních obvodů a číslicových počítačů. 1.3 Analytické počítací stroje V polovině 19. století sestrojil Herman Hollerith stroj, který vyuţíval děrný štítek jako paměť pro data. Pomocí otvorů v příslušné pozici na štítku rozeznával tento stroj odpovědi ve tvaru ano, ne. Štítky jsou čteny na elektromagnetickém principu. Tento systém byl pouţit roku 1890, kdy americká vláda vypsala konkurz na zpracování výsledků sčítání lidu, které Hollerith vyhrál. Náklady byly vyšší neţ na předchozí sčítání, ale k sečtení došlo třikrát rychleji, tedy zhruba za dva a půl roku. Po tomto úspěchu zaloţil Herman Hollerith roku 1924 firmu International Business Machina (IBM). 1.4 Přehled vývoje skutečných počítačů První počítače by nevznikly bez několika důleţitých objevů na začátku 20. století: 1906 Lee de Forestem - vynález elektronky; 1919 W. H. Eccles a F.W. Jordan - návrh klopného obvodu; 1935 firma IBM uvádí na trh IBM 601, jedná se o děrovací stroj, který s vyuţitím relé násobí čísla za pouhou jednu sekundu - prodalo se přes 1500 kusů; 1936 Alan Mathison Turing publikoval teoretickou práci, ve které zavedl model počítače s nekonečnou pamětí a podmíněným skokem; 1945 John von Neumann vymýšlí architekturu počítače, která popisuje počítač se společnou pamětí pro instrukce i data; 11

Obrázek č. 2: Von Neumannova architektura Zdroj: http://ivt.gymnachod.cz/materialy/hw/architektura_pc/pictures/obecne/vneuman.gif 27.2.2010 1948 John Bardeen, Walter Brattain a William Shockley z Bell Telephone Laboratorie - vynález tranzistoru; 1958 Firma Texas Instruments - vynález integrovaného obvodu; 1971 Firma Intel vynález mikroprocesoru. 1.4.1 Počítače nulté generace Počítače nulté generace byly postaveny na bázi relé. Jednalo se o zařízení, která byla velice rozsáhlá, měla velkou spotřebu elektřiny a vysokou poruchovost. Zvládly přibliţně dvacet operací za sekundu a jediné vyuţití našly v armádě, vyuţívalo je například americké námořnictvo k výpočtu balistických tabulek. Patří mezi ně jiţ v předchozím textu uváděný IBM 601, reléový počítač Complex Computer nebo IBM vyvíjený MARK I. Tento počítač neměl téměř ţádnou paměť. 12

1.4.2 Počítače první generace Do této generace patří počítače vzniklé v období let 1946 1953. Základní součástkou počítačů první generace byly elektronky. Programování probíhalo ve zdrojovém kódu a jako uţivatelský interface se pouţívaly různé přepínače, děrné pásky a tiskárny. Prvním významným počítačem této generace byl ENIAC. Tento stroj obsahoval 18 000 elektronek, váţil 30 tun, měl elektrický příkon 150 kw a výkon 500 FLOPS (tato jednotka bude vysvětlena v pozdější části mé práce). Stejně jako jeho předchůdci našel uplatnění v armádě, především pro jaderný a raketový výzkum. Následoval Manchester Mark I, který byl sestaven ve Velké Británii. Zajímavostí tohoto projektu je, ţe zde na něm jako poradce pracoval Alan Turing (zakladatel moderní informatiky). Počítač byl zaloţen na von Neumannově architektuře a jeho základní výrobní součástkou se stala samozřejmě elektronka. Tento stroj se dočkal dokonce sériové výroby, bylo prodáno 10 kusů. Dokázal provádět výpočty determinantů, diferenciálních rovnic, výpočet daní, dokonce i řešení logických úloh. 3 EDSAC Electronic Daly Storage Automatic Computer, podobně jako Manchester Mark I, měl program uloţený v paměti počítače. Vyuţíval tedy jednu ze základních myšlenek von Neumannovy architektury. Většina instrukcí trvala okolo 1500 milisekund, taktovací frekvence byla 500 Hz. Speciálnost tohoto počítače spočívala v jeho překvapivém vyuţití, nebyl vyuţíván pouze armádou nebo k vědeckým účelům, jako předchůdci, ale jako pomocník několika obchodních společností. Roku 1951 byl v USA postaven počítač s názvem Whirlwind. Byl sestaven ze 4500 elektronek a 14 000 krystalových diod. Vyuţíval feritovou paměť. USA a Kanada toto zařízení vyuţily ve svém obranném systému. Ve stejném roce jako Whirlwind vznikl UNIVAC, obsahoval 5600 elektronek, 18 000 krystalových diod, 300 relé a sekvenční řízení frekvencí 2,25 MHz. Výkon ve FLOPS bylo asi číslo 1 000, příkon 120 kw. Jeho cena byla 1 milion amerických dolarů a prodalo se 41 kusů. Jeho nástupce UNIVAC 1103 vyuţíval magnetopáskovou a magnetickou bubnovou paměť. Buben paměti byl pouţíván jako operační paměť. 3 ZELENÝ, Jaroslav; MANNOVÁ, Boţena. Historie výpočetní techniky. 1. vyd. Praha: Scientia, 2006. s. 50. ISBN 80-86960-04-8. 13

Obrázek č. 3: Počítač UNIVAC z roku 1951 Zdroj: http://www.plyojump.com/classes/images/computer_history/univac_1951.jpg 14.3.2010 Samostatnou kapitolou by mohla být i dnes známá a na předchozích stránkách zmiňovaná firma IBM. Tato firma se podílela na několika projektech počítačů první generace, z nichţ mnohé nebyly příliš komerčně úspěšné, ale IBM na nich získalo mnoho zkušeností do dalšího vývoje. Pro představu uvádím například Harvard MARK I (délka 16 m a výška 2 m) nebo SSEC. Mezi úspěšnější se řadí model IBM 604, kterého se prodalo 5 600 kusů, to několikanásobně překonalo očekávání firmy. Následovalo IBM 701, jeho prodeje sice nebyly příliš vysoké, prodalo se 19 kusů, ale zákazníky se stala mnohá špičková pracoviště, jako je americká armáda, vláda nebo letecké společnosti. V té době ještě pracovníci IBM netušili, ţe na příštích dvacet let ovládnou trh s tzv. mainframe computers. V roce 1954 byl prezentován model IBM 650, měl vnitřní bubnovou paměť a magnetickou pásku, jako paměť vnější. Zvláštnost tohoto počítače spočívala v jeho velikosti, měl přibliţně 2 metry na šířku i výšku. Ukázal ostatním výrobcům, jakým směrem se dále ubírat. Za jediný rok se tohoto modelu prodalo okolo 450 kusů, za 15 let dohromady 18 000 počítačů. 4 4 ZELENÝ, Jaroslav; MANNOVÁ, Boţena. Historie výpočetní techniky. 1. vyd. Praha: Scientia, 2006. s. 56. ISBN 80-86960-04-8. 14

Obrovským nedostatkem počítačů první generace byla nemoţnost přenosu programů. To znamená, ţe počítače nebyly navzájem kompatibilní. Konec této generace přichází s vyuţitím tranzistorů, jako základní součástky pro vývoj další výpočetní techniky. 1.4.3 Počítače druhé generace 5 Do této generace patří počítače vzniklé v letech 1954 1963. Jejich základem jsou tranzistory, které jsou podstatně rychlejší, menší a spolehlivější neţ elektronky. Jako programovací jazyk vyuţívají assembler. Uţivatelský interface je klávesnice, děrné štítky, tiskárny a příkazové řádky. Rychlost počítačů byla přibliţně 10 000 operací za sekundu. Značný vliv na rozvoj této generace počítačů měly vylepšené feritové paměti s kapacitou 64 aţ 512 kb. Jako externí paměti se pouţívaly magnetické pásky, magnetické disky a magnetické bubny. Počítačové firmy pochopily, ţe vývoj výpočetní techniky se musí začít ubírat více směry. Proto rozdělili vývoj nových počítačů do dvou skupin. K první skupině patřily stroje označované jako superpočítače, slouţily pro sloţité numerické výpočty. Druhá skupina měla za úkol zaměřit se na práci s administrativními daty a tím rozšířit moţnosti jejich vyuţití v průmyslových podnicích. Výhodou této generace byla vyšší vzájemná kompatibilita jednotlivých zařízení. Bell Laboratories sestavily v roce 1955 malý a jednoduchý počítač nazvaný TRADIC. Obsahoval 800 tranzistorů a měl příkon 100 W. Ve srovnání s počítači z první generace, které byly postaveny pomocí elektronek, to byl výrazný krok vpřed. Podobné pokusy s tranzistorovými počítači probíhaly i na University of Manchaster ve Velké Británii. Postavili počítač, jenţ se skládal z 200 tranzistorů, 1300 diod a jeho příkon dosahovat 150 W. V praxi byl značně poruchový. Nástupce těchto dvou prototypů byl počítač TX-0 z MIT. Komunikace s tímto strojem probíhala přes děrnou pásku a psací stroj. Jako výstupní zařízení byl pouţit displej osciloskopu. Tento počítač nenašel ţádné výraznější uplatnění na trhu. 5 ZELENÝ, Jaroslav; MANNOVÁ, Boţena. Historie výpočetní techniky. 1. vyd. Praha: Scientia, 2006. s. 63. ISBN 80-86960-04-8. 15

Roku 1957 vyrobila firma Burroughs počítač Atlas Guidance Computer, který byl pouţíván k navádění raket. Následovalo několik komerčně vyuţívaných počítačů. Patřil k nim například TRANSAC S-2000 (zvládl 60 000 aritmetických operací za sekundu) firmy Philco, která měla sídlo v USA a CDC 1604 firmy Control Data Corporation. Konstruktérem CDC 1604 byl Seymour Cray, který se později soustředil především na superpočítače a je dokonce označován jako otec superpočítačů. Dokázal provést 100 000 operací za sekundu. Do skupiny superpočítačů se řadí z roku 1960 Livermore Advanced Research Computer (LARC), kterého byly vyrobeny pouze dva kusy. Jeho součástí bylo 12 magnetických bubnů, 8 magnetických páskových jednotek, 1 snímač štítků a 1 tiskárna. Zavedení celé sestavy do provozu zabralo 4 měsíce a vystřídalo se na ní 40 pracovníků. 1962 byl spuštěn superpočítač Atlas, produkt University of Manchaster a firmy Ferranty, hlavním technikem byl Tom Kelburn. Ve své době byl Atlas nejvýkonnějším počítačem na světě. Jeho výjimečnost nespočívala v rychlosti, ale v celkovém uspořádání, navíc nabízel princip virtuální paměti, coţ je systém několika pamětí, který se uţivateli zobrazuje jako jedna paměť. Vyuţití času CPU (Cental Procesor Unit) dosahovalo 80 %. Pro srovnání model IBM 360 měl průměrné vyuţití času pouze 8 %. Operace v pohyblivé řádové čárce trvaly 1,61 mikrosekundy sčítání, 4,97 mikrosekundy násobení a 18 mikrosekund dělení. Byly prodány 3 kusy tohoto superpočítače, všechny do univerzit nebo výzkumných ústavů. I v tomto období počítačové historie byla významným hráčem firma IBM. Řadu velmi výkonných počítačů rozšířila modelem IBM 7090 uvedeným na trh v roce 1958, vyuţití našel především v řízení kosmických letů lodí. Následoval model IBM 7094 schopný provádět nejnáročnější vědecko-technické výpočty. K superpočítačům se řadí IBM 7030, pojmenovaný Stretch. Tento stroj byl velice univerzální, mohl být vyuţit jak pro sloţité početní úkony, tak na zpracování dat. Patří k prvním počítačům, které vyuţívaly přímý přístup do operační paměti. Při tomto přenosu se CPU nepodílel na přesunu dat mezi pamětí a externím zařízením. Pokud externí zařízení vyšle poţadavek je řadič přímého přístupu do paměti schopen umoţnit perifernímu zařízení číst nebo zapisovat přímo do paměti. Tento princip je dnes znám jako Direct Memory Access (DMA). 16

Superpočítač váţil 31 tun, zabíral 225 metrů čtverečních a ALU obsahovala 200 000 tranzistorů a měl výkon 1,2 MFLOPS (přes milion výpočtů s reálnými čísly za sekundu). IBM prodalo 7 kusů. Obrázek č. 4: Počítač IBM 7030 - Strech Zdroj: http://www.computersciencelab.com/computerhistory/htmlhelp/images2/ibmstretch.jpg 28.2.2010 1.4.3.1 Programovací jazyky druhé generace počítačů Tato práce není zaměřena na software, ale z pohledu výkonu je velice důleţitý, proto zmíním několik nejdůleţitějších programovacích jazyků vyuţívaných v počítači druhé generace. Patří mezi ně především Fortran, Algol a Cobol. Kolem roku 1957 se John Backus stal autorem Fortranu. Fortran se vyuţíval k programování pro různé vědecké a výzkumné instituce, v armádě, k řízení leteckého provozu nebo na programování videoher. Fortran byl určen především pro programování aplikací vyţadujících numerické výpočty, proto v roce 1960 vytvořila skupina programátorů jazyk Cobol-Common Business Oriented Language. Cobol našel hlavní vyuţití v obchodu a ve zpracování dat. Zajímavostí je, ţe programy psané v Cobolu měly velké problémy při přechodu na rok 2000. 6 6 ZELENÝ, Jaroslav; MANNOVÁ, Boţena. Historie výpočetní techniky. 1. vyd. Praha: Scientia, 2006. s. 76. ISBN 80-86960-04-8. 17

Dalším velkým problémem Fortranu byl jeho vlastník, kterým byla firma IBM a podporovala především své produkty. Proto vznikl poţadavek na jazyk s univerzálnějším vyuţitím, jímţ měl být Algol. Tento jazyk ovšem nezískal velkou popularitu, přestoţe se stal inspirací pro řadu dalších jazyků, například Pascal, C, C++. 1.4.4 Počítače třetí generace Pod toto označení můţeme zahrnout počítače vzniklé v letech 1964 aţ 1972. Jako vstupní zařízení se začaly prosazovat tzv. terminály, obrazovka s klávesnicí. V této době to byly hlavně upravené psací stoje, doplněné vstupem a výstupem děrné pásky. Terminály se postupně začaly rozšiřovat. Později byly schopny zpracovat data a příkazy před předáním počítači nebo uţivateli. Nejdůleţitějším prvkem vyuţívaným k sestavování počítačů této generace patří integrovaný obvod. Proto byla cena těchto strojů zpočátku velice vysoká, jeden integrovaný obvod stál přibliţně 450 amerických dolarů, tato cena se přibliţně za deset let několikanásobně sníţila. Integrované obvody také zásadní měrou přispěly ke sníţení velikosti počítačů. Na integrovaných obvodech se s postupujícím vývojem technologií začalo hromadit stále více tranzistorů, odporů a jiných elektronických součástek. Hustota prvků na čipu (polovodičové podloţce) se podle Moorova pravidla kaţdých 12 aţ 18 měsíců zdvojnásobí. Toto pravidlo napsal Gordon Moore v roce 1964 a díky stále se zlepšujícím technologiím, zmenšování a zkvalitňování součástek, platí s drobnými úpravami aţ do dnes. Podle hustoty prvků na čipu dělíme tyto čipy na několik kategorií. Třetí generace počítačů se řadila do skupiny s tzv. malou integrací (SSI Small Scale Integration), která měla do 10 součástek na čipu a střední integrací (MSI Medium Scale Integration), od 10 do 100 součástek. 7 Velkou změnou prošly také paměti počítačů. I zde měl značný vliv integrovaný obvod. Pracovník firmy IBM pomocí jednoho tranzistoru a malé kapacity sestavil paměť o velikosti 1 bit nazvanou DRAM Dynamic Random Access Memory. První paměťový integrovaný obvod překvapivě neuvedla na trh firma IBM, ale její konkurence firma Intel. Pod označením 1103 představila paměť s kapacitou 1 kb. Vyuţívaly je kalkulátory firmy 7 ZELENÝ, Jaroslav; MANNOVÁ, Boţena. Historie výpočetní techniky. 1. vyd. Praha: Scientia, 2006. s. 84. ISBN 80-86960-04-8. 18

Hewlett-Packard. IBM je následovalo aţ o dva roky později s pamětí o kapacitě 2 kb. Existoval i vývoj jiných typů pamětí, firma Fairchild pracovala na paměťovém čipu s kapacitou 256 kb. I externí paměti udělaly určitý krok vpřed. Začaly se pouţívat výměnné disky na místo disků pevných. V roce 1965 byla výrazně zrychlena komunikace CPU s hlavní pamětí. Maurice Wilkes navrhl pouţití rychlé vyrovnávací paměti cache. Vyrovnávací paměť nalezla v budoucnu velké vyuţití. Důleţitý znak této generace číslicových počítačů byla velká univerzálnost. Jednotlivé komponenty stejných řad modelů počítačů, různých výrobců, byly vzájemně kompatibilní. Pod pojmem univerzálnost se skrývá i schopnost jednoho stroje pokrýt několik poţadavků uţivatelů. Firmy se tedy snaţily o co nejširší vyuţití svých výrobků. Změna je také ve velikosti jednotky zpracování, nově je 1 byte 8 bitů a délka slova násobkem osmi. Do této doby bylo jednotkou pro znak 6 bitů a slovo násobkem šesti. Tato generace měla jiţ také výborně promyšlený systém přerušení, umoţňovala z hlavního programu přecházet na zpracování podprogramů. Mezi novinky patřila některá přídavná zařízení. V tomto případě myš a floppy disk. Vynálezcem myši byl Douglas C. Engelbart, od roku 1983 zaměstnanec firmy Apple. Floppy disk navrhl David Noble, jednalo se o tenký kotouček s magnetickou vrstvou o průměru 20 cm. Na toto zařízení bylo moţné zapisovat i z něj číst. Tyto tzv. diskety nahradily do té doby pouţívané děrné štítky. V roce 1974 IBM pouţívalo disketu s kapacitou 256 kb a to odpovídalo přibliţně 3 000 děrným štítkům. Pro upřesnění, v roce 1976 následovaly diskety o průměru 5,25 palce dodávané firmou Shugart Associates a v roce 1981 3,5 palcové diskety od firmy Sun. 8 8 ZELENÝ, Jaroslav; MANNOVÁ, Boţena. Historie výpočetní techniky. 1. vyd. Praha: Scientia, 2006. s. 86. ISBN 80-86960-04-8. 19

Obrázek č. 5: První počítačová myš Zdroj: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/2/2d/firstmouseunderside.jpg 14.3.2010 Období, kdy byly vyráběny počítače třetí generace, se dá označit jako vrchol střediskových počítačů, podle některých zdrojů bylo postaveno 470 nových modelů počítačů. Pozornost výrobců se soustředila na zvýšení paralelních činností v počítači. Nejznámější klasifikací moţných řešení se stala klasifikace M. J. Flynna z roku 1966. Paralelní systémy jsou v ní tříděny podle počtu toku instrukcí a počtu toku dat na SISD (Single Instruction, Single Data), SIMD (Single Instruction, Multiple Data), MISD (Multiple Instruction, Single Data) a MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data). 9 Paradoxem je, ţe vrchol střediskových počítačů předznamenal jejich pád. Jejich výkonnost i moţnosti vyuţití byly dostačující, ale hlavní nevýhodou byla značná velikost a tím i potřeba velké klimatizované místnosti a také vysoká cena. Dalším problémem se stalo umístění střediskových počítačů v konkrétních firmách, výpočetní střediska musela být umístěna ve spodních patrech budov, kvůli vysoké hmotnosti počítačových sestav. To ztěţovalo přístup zaměstnanců do tohoto střediska, sídlících v jiných patrech nebo v jiných budovách. Proto se někteří výrobci výpočetní techniky snaţili vyřešit tento problém. Navrhli tzv. minipočítače. Jak jiţ název naznačuje, na tehdejší dobu se jednalo o velmi malé a levné počítače. Výkonem se nedaly srovnat se superpočítači, ale staly se dostupnější i pro menší firmy, školy a jiné organizace. Období jejich vyuţívání bylo od roku 1963 1987. 9 ZELENÝ, Jaroslav; MANNOVÁ, Boţena. Historie výpočetní techniky. 1. vyd. Praha: Scientia, 2006. s. 88. ISBN 80-86960-04-8. 20

1.4.4.1 Konkrétní výrobci a modely počítačů třetí generace 7. dubna 1964 byla uvedena na trh počítačová řada IBM S/360. Tato řada obsahovala 6 počítačů a 44 přídavných zařízení. Mezi nejméně výkonným a nejvýkonnějším modelem této řady byl výkonnostní rozsah 1:300. Měly feritovou operační paměť s kapacitou aţ 4 MB a programovatelný adresový prostor byl 2 24. Jak napovídá číslovka 360 v názvu, byla tato řada soustředěna na větší univerzálnost, k tomu je přinutily poţadavky uţivatelů. Jednalo se o střediskový počítač. Obrázek č. 6: IBM System S/360 Zdroj: http://www.root.cz/clanky/salove-pocitace-serie-ibm-1400-a-system-360/#k04 7.3.2010 Firma IBM měla v této době na trhu střediskových počítačů naprosto dominantní postavení, její roční obrat odpovídal obratu všech zbylých velkých počítačových firem v USA. Na vzniklou situaci musely ostatní firmy reagovat, a proto se vydaly třemi hlavními směry: firmy Hitachi, Fujitsu, Amdahl, Comparex vyráběly klony počítačů IBM; firmy CDC, Sperry Rand Univac a Buroughs se specializovaly na úzkou oblast zákazníků se specifickými poţadavky, kde nebyla tak velká konkurence; firmy RCA, NCR, Honeywell uvedly na trh vlastní řady počítačů. 21

Firma CDC vyvinula superpočítač CDC 6600. 10 samostatných funkčních jednotek a 32 nezávislých paměťových jednotek dokázalo dosáhnout výkonu jeden milion operací v pohyblivé desetinné čárce na sekundu (1 MFLOPS). Následoval model CDC 7600 s výkonem 10 MFLOPS. Pro srovnání nejvyšší model řady IBM S/360 měl výkon 2 MFLOPS. Mezi významné superpočítače této doby patřil ILLIAC IV. Měl 64 procesorů, kaţdý s vlastní pamětí a propojených datovou sběrnicí. Dosahoval výkonu 15 MFLOPS. Roku 1960 byl firmou DEC (Digital Equipment Corporation) sestaven první minipočítač, pod označením PDP-1. Zvládl 100 000 sčítání a 50 000 násobení za sekundu. Specialitou byla komunikace s uţivatelem pomocí klávesnice s displejem. Jeho velikost zabírala plochu 1,5 m 2 a cena byla od 85 000 do 150 000 amerických dolarů. Superpočítače stály přes milion dolarů. PDP-1 se prodalo 50 kusů. Dalším významným modelem této firmy byl z roku 1965 PDP-7 a také PDP-8, který je nazýván prvním skutečným minipočítačem. Bylo prodáno přes 50 000 kusů. Nejúspěšnějším výrobkem byl roku 1970 PDP-11. Měl délku slova 16 bitů a prodalo se přes 600 000 kusů. 10 Jako prodejci minipočítačů se snaţily prosadit i jiné firmy, například Hewlett-Packard nebo Interdata. V této době neměly velký úspěch. 1.4.4.2 Programovací jazyky třetí generace počítačů V roce 1964 vymysleli profesoři John G. Kemeny a Thomas E. Kurtz programovací jazyk Basic (Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code). Jak anglický název napovídá, jednalo se o jazyk určený pro začátečníky v programování. V tomto případě určený hlavně pro studenty. Ve stejném roce jako Basic byl firmou IBM představen jazyk PL/1 (Programming Language/1). Jazyk byl kombinací jazyků Cobol, Fortran a Algol 60. Měl být nasazen s řadou počítačů S/360. Jazyk byl velký a sloţitý, proto nenašel široké uplatnění. V rozmezí let 1968-1970 Niklaus Wirth napsal program nazvaný Pascal, který vycházel ze tří verzí jazyka Algol (Algol 60, Algol 68, Algol W). Byl uţíván k výuce programování. I přes určitou kritiku se stal v budoucnu velmi populárním. 10 ZELENÝ, Jaroslav; MANNOVÁ, Boţena. Historie výpočetní techniky. 1. vyd. Praha: Scientia, 2006. s. 95. ISBN 80-86960-04-8. 22

Charles H. Moore navrhl v letech 1970-1971 specifický jazyk Forth. Tento jazyk dokázal vytvářet aplikace, které byly rychlé, a jejich velikost byla zanedbatelná. Posledním jazykem patřícím svým vznikem do této generace počítačů je C. Vznikl kolem roku 1972 a vychází z jazyka BCPL (vznikl z jazyka Algol). Jeho nástupci jsou dnes známé jazyky C++ a Java. 1.4.4 Další generace počítačů Některé zdroje uvádějí počítače třiapůlté, čtvrté a páté generace. Rozlišovat mezi jednotlivými generacemi se stává stále sloţitější, proto pojem další generace počítačů zahrnuje období let 1973 aţ po současnost. Tyto generace vyuţívají integrované obvody s vysokou integrací (LSI 1 000 prvků na čip) a později VLSI, velmi vysoká integrace (100 000 a více prvků na čip). Charakteristickým rysem je vyuţívání mikroprocesoru. 1.4.5.1 Mikroprocesory Mikroprocesor je jedna z nejdůleţitějších součástek, které mají zásadní vliv na výkon počítačů. V následujícím přehledu uvádím pouze mikroprocesory firmy Intel, protoţe jsou povaţovány za kvalitnější neţ výrobky konkurenčních firem: v roce 1971 firma Intel uvedla první 4 bitový mikroprocesor 4004. Obsahoval na jednom čipu centrální jednotku, paměť i obvody řízení vstupu a výstupu. Následoval mikroprocesor 8008 a v roce 1974 velmi rozšířený procesor 8080. Jednalo se o 8 bitový procesor, s taktovací frekvencí 1 2 MHz, na jednu instrukci potřeboval 4 hodinové takty, obsahoval 6 000 tranzistorů a jeho výkon byl 10x vyšší neţ procesoru 8008. Byl vyráběný technologií MOS-N a vyuţíval ho počítač s označením Altair; v roce 1978 procesor 8086, taktovací frekvence 5 MHz aţ 10 MHz, šířka sběrnice 16 bitů, počet transistorů 29 000. 10x výkonnější neţ 8080; v roce 1979 procesor 8088, taktovací frekvence 5 MHz aţ 8 MHz, šířka sběrnice 16 bitů, počet transistorů 29 000. Jedním z prvních počítačů vyuţívajících 8 bitový procesor byl ZX Spektrum, v roce 1980. Byl vyroben ve Velké Británii, kde je povaţován za nejúspěšnější britský počítač v historii. Na trhu vydrţel aţ do roku 1990. Na 8 bitovém mikroprocesoru byl v roce 1981 postaven také IBM PC; 23

v roce 1982 procesor 80286, taktovací frekvence 6 MHz aţ 12,5 MHz, šířka sběrnice 16 bitů, počet transistorů 134 000. 6x výkonnější neţ 8086; v roce 1985 procesor Intel 386 DX, taktovací frekvence 16 MHz aţ 33 MHz, šířka sběrnice 32 bitů, počet transistorů 275 000. První čip, který pracoval s 32 bitovou sběrnicí; v roce 1988 procesor Intel 386 SX, taktovací frekvence 16 MHz aţ 33 MHz, šířka sběrnice 16 bitů, počet transistorů 275 000; v roce 1989 procesor Intel 486 DX, taktovací frekvence 25 MHz aţ 50 MHz, šířka sběrnice 32 bitů, počet transistorů 1,2 milionů. První procesor, který měl cache přímo na čipu, obsahoval matematický koprocesor, významně zrychlil výpočty; v roce 1991 procesor Intel 486 SX, taktovací frekvence 16 MHz aţ 33 MHz, šířka sběrnice 32 bitů, počet transistorů 1,185 milionů; v roce 1993 procesor Intel Pentium, taktovací frekvence 60 MHz aţ 66 MHz, šířka sběrnice 64 bitů, počet transistorů 3,1 milionů; v roce 1995 procesor Intel Pentium Pro, taktovací frekvence 150 MHz aţ 200 MHz, šířka sběrnice 64 bitů, počet transistorů 5,5 milionů; v roce 1997 procesor Intel Pentium II, taktovací frekvence 200 MHz aţ 300 MHz, šířka sběrnice 64 bitů, počet transistorů 7,5 milionů; Obrázek č. 7: Mikroprocesor Intel Pentium Zdroj: http://www.semicon.blue-nut.com/resources/cpu_pentium/pentium_2.jpg 14.3.2010 24

v roce 1999 procesor Intel Pentium III, taktovací frekvence 450 MHz aţ 1 400 MHz, šířka sběrnice 64 bitů, počet transistorů 28-44 milionů; v roce 2000 procesor Intel Pentium IV, taktovací frekvence 1,5 GHz aţ 3,8 GHz., šířka sběrnice 64 bitů, počet transistorů 42 230 milionů; v roce 2006 procesor Intel Core, taktovací frekvence 1,8 GHz aţ 3,3 GHz, šířka sběrnice 64 bitů, počet transistorů 291 700 milionů. Pro úplnost končí přehled aţ rokem 2006, kdy byla představena i v současnosti nejpouţívanější technologie. 1.4.5.2 Osobní počítače 11 I v sedmdesátých letech ovládaly trh superpočítače, jejich velkou konkurencí se ovšem začaly stávat tzv. osobní počítače, které nahradily sestavy nazvané jako minipočítače. Proto necháme ustupující superpočítače stranou a zaměříme se na tyto menší stroje. Pojmem osobní počítač je myšlen počítač, který není drahý, má univerzální pouţití, je určen pro běţný trh a jeho základem je mikroprocesor. V roce 1974 byl sestaven počítač Altair 8800. Navrhl jej Ed Roberts, paměť RAM měla 256 bytů a byl prodáván jako stavebnice za 439 amerických dolarů. O rok později následoval počítač Apple I, navrţený Stevem Jobsem a Stevem Wozniacem, jehoţ cena byla 666,66 amerických dolarů a velikost paměti 4 kb. Nevyuţíval procesor Intel, ale mikroprocesor 6502 firmy MOS Technology. Jako vstup pouţíval klávesnici a výstupem byl video monitor. Bylo vyrobeno 200 kusů za jediný rok. Následoval roku 1977 počítač Apple II, který stál 1 300 amerických dolarů. Jeho paměť ROM dosahovala velikosti 16 kb a RAM 4 kb. Je označován jako první skutečný osobní počítač. Na trhu zaznamenal velký úspěch a byl prodáván aţ do roku 1992. Ve stejném roce firma Atari Video Computer System uvedla na trh model Atari 2600. Jednalo se o počítačový herní systém, který nabízel aţ tisíc her. Stal se jedním z nejpopulárnějších herních systémů všech dob. Prvním osobním počítačem, který vyuţíval 16 bitový procesor s frekvencí 3 MHz, byl v roce 1979 model TI99/4 od firmy Texas Instruments. Jeho cena byla stanovena 11 ZELENÝ, Jaroslav; MANNOVÁ, Boţena. Historie výpočetní techniky. 1. vyd. Praha: Scientia, 2006. s. 123. ISBN 80-86960-04-8. 25

na 1 150 amerických dolarů. Poté přišel počítač TRS-80 model II, který byl dokonce vybaven 8 palcovou disketou. Hewlett-Packard uvedla na trh model HP85. Nejvíce byl pouţíván v laboratořích pro zpracování dat, v některých vydrţel aţ do konce devadesátých let. V roce 1980 sestavil brit Clive Marles Sinclaire 8 bitový počítač ZX80. Jeho paměť byla 1 kb. Jeho výjimečnost a tím i úspěch u zákazníků spočíval v jeho ceně. Byla pouhých 99,99 amerických dolarů. Jako ve většině předchozích počítačových období nezůstala firma IBM pozadu. Roku 1981 představila počítač IBM PC model 5150. Jeho paměť byla 16 kb s moţností rozšíření aţ na 256 kb. Pouţíval mikroprocesor Intel 8088 a měl disketovou mechaniku. Jeho cena byla od 1 565 USD. Následoval, v roce 1982, počítač Compaq Portable, váţil 14 kilo a v roce 1984 Macintosh od Applu. Roku 1985 firma Commodore představila model Amiga A1000. Tyto modely jiţ svým designem vzdáleně připomínaly počítače, které známe dnes, i kdyţ výkonem se jim ani vzdáleně nepřibliţovaly. V dalších letech se pouze zvyšoval výkon jednotlivých komponent počítače, proto se v další části práce zaměřím na současný stav hardware. 1.5 Historické měření výkonu 12 Na začátku hodnocení výkonu počítačových systémů stačily informace o délce základního taktu počítače, cyklu hlavní paměti nebo doba trvání základních operací. Ovšem toto porovnání přestalo být dostačující. Za definici výkonu (práce vykonaná za časovou jednotku) počítačového systému lze povaţovat propustnost. Ta je dána objemem operací vykonaných za jednotku času, při dané zátěţi. Z propustnosti bylo odvozeno v minulosti pouţívané měřítko KOPS (tisíc operací za sekundu). Hlavním problémem této jednotky bylo její jednostranné zaměření na propustnost procesoru. Nebere v úvahu ostatní faktory, které ovlivňují propustnost 12 RUKOVANSKÝ, Imrich. Hodnocení výkonnosti počítačových systémů. 1.vyd. Praha: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1989. s. 11. ISBN 80-03-00057-2. 26

celého systému. Toto měřítko nenašlo v současné době velké uplatnění, přesto uvádím, pro představu o výkonu procesorů v minulosti, tabulku vybraných počítačů. Tabulka č. 1: Tabulka výkonu vybraných procesorů Typ procesoru Měřítko KOPS Burroughs 6817 1 147 DEC PDP 11/60 510 DEC PDP 11/70 600 IBM 360/25 40 IBM 370/125 80 IBM 370/165 1 100 UNIVAC 9300 38 UNIVAC 90/30 139 UNIVAC 1100/12 1 044 Zdroj: vlastní Nesmíme zapomenout ani na další historické jednotky: MIPS počet instrukcí vykonaných za 1 sekundu, FLOPS počet vykonaných operací v pohyblivé řádové čárce za 1 sekundu, tato historická jednotka je pouţívána i v současné době na porovnávání výkonu superpočítačů. 27

2 Současný stav hardware a jeho výkon Jako jiţ v první kapitole, tak i zde se budu soustředit na hardware potřebný k funkci počítače bez jeho externích periferií. Zaměřím se na detailnější popis jednotlivých hardwarových součástí, jejich výkonu a ceny u běţných stolních počítačů. Servery, notebooky a dnešní superpočítače zmíním pouze okrajově. Ceny, které budou uváděny, jsou cenami na českém trhu, je proto moţné najít drobné rozdíly ve srovnání se zahraničím. Podobné pravidlo platí i v porovnání nejvýznamnějších dodavatelů a výrobců zahraničních a českých trhů - tudíţ nejúspěšnější značka na českém trhu nemusí vţdy znamenat stejnou úspěšnost v zahraničí. 2.1 Základní komponenty současných počítačů Dnešní počítač má 9 nejdůleţitějších části. Patří k nim základní deska (motherboard), mikroprocesor, pevný disk (harddisk), operační paměť, napájecí zdroj, grafická karta, zvuková karta, optická mechanika a počítačová skříň (case). Pokud se soustředíme na detaily, je k základní funkci počítače potřeba jen 6 z těchto komponent, které mají také zásadní vliv na výkon počítače. Ovšem, kdo by dnes chtěl počítač bez zvukové karty nebo počítačové skříně. O optické mechanice by se dalo v době velkých flash pamětí úspěšně polemizovat. Tyto prvky počítače podrobně rozeberu v dalších podkapitolách, primárně se zaměřím na 6 jiţ jmenovaných součástek, jejichţ vliv na výkon je zásadní. 2.1.1 Základní deska Jak název napovídá, jedná se o desku, ke které jsou připojeny všechny zbylé komponenty. Její funkce spočívá v jejich propojení, moţnosti vzájemné komunikace a napájení. Vyrábějí se tři hlavní formáty základních desek: ATX (Advanced Technology Extended) vyroben v roce 1995 firmou Intel, maximální rozměry desky 305 mm x 244 mm, BTX (Balanced Technology Extended) nástupce ATX, zatím zcela standard ATX nenahradil, MicroATX menší verze desky ATX, maximální rozměry 244mm x 244 mm. 28

Porovnat výkon jednotlivých desek je velmi sloţité. Pokusil se o to internetový magazín Svět hardware. Podle jeho testu 10 motherboardů, zaměřeného pouze na výkon, se výsledky téměř shodují. Z toho vyplývá, ţe srovnávat pouze výkon nemá smysl. Dnešní desky se odlišují hlavně svou výbavou, draţší desky mají integrované grafické a zvukové karty, kvalitou zpracování a taktovacími moţnostmi. Ty jsou ovšem pro běţného uţivatele obtíţně vyuţitelné. Dále mají různou rychlost zběrnic (FSB a paměťová sběrnice), rychlost řadičů (SATA a ATA) a počet slotů (PCI, PCI-E a starší AGP). Nesmíme vynechat různé čipové sady (Intel, Nvidia), typ podporovaných pamětí (dnes uţ hlavně DDR3) a mikroprocesorů (různé patice pro Intel a AMD). Na současném trhu v česku je několik nejvýznamnějších výrobců základních desek. Patří k nim AsRock, ASUS, Gigabyte, Intel a Micro-Star International (MSI). Tyto firmy se specializují především na motherboardy k osobním počítačům a pracovním stanicím. Deskami na servery, které jsou na výrobu náročnější (například více patic na procesory) a draţší, se zabývá nejvíce firma Intel. Ceny základních běţně dostupných motherboardů jsou od 500 do 10 000 Kč. Obrázek č. 8: INTEL Server Board BB5520HC Zdroj: http://il.systemb2b.com/pic/partspics/c6301071.jpg 14.3.2010 29

2.1.2 Mikroprocesor Mikroprocesor je označován za nejdůleţitější součást počítače, za jeho mozek. Skládá se z křemíku a tranzistorů. Uţ samotný název této komponenty nám naznačuje její funkci. Skládá se ze dvou slov mikro a procesor. Mikro vyjadřuje, ţe se jedná o malou součástku. Slovo procesor vyjadřuje schopnost pracovat podle pokynů jakéhosi programu, plnit zadané úkoly a vytvářet nějaká data. 13 Tedy mikroprocesor pracuje podle instrukcí (příkazů), které jsou vytvářeny určitým programem, schopným komunikovat s mikroprocesorem. Z hlediska výkonu je nejdůleţitější frekvence procesoru, počet jader, frekvence sběrnic a velikost paměti cache. Současné běţně dostupné procesory mají frekvenci 1,6 3,4 MHz, počet jader 1 12 (AMD představilo 12 jádrový procesor na začátku roku 2010) a cache L1 L3. Cache je velmi často opomíjený ukazatel výkonnosti mikroprocesoru. Jedná se o pomocnou paměť, která výrazně zvyšuje jeho rychlost. Funguje jako mezisklad pro data, aby procesor nemusel čekat na data z pomalejší sběrnice, čekají v rychlé paměti cache a odsud si je načte. Existují tři úrovně těchto pamětí L1 (First Level Cache) L3. L1 má velikost od 64 do 256 kb, L2 od 512 kb do 12 MB a L3 od 2 MB do 8 MB. Dnes jsou nejběţnější procesory od firem Intel a AMD. Pro detailnější představu o výkonu procesorů uvádím v příloze číslo 1 výsledky testů internetového magazínu Extra hardware, který zahrnuje srovnání výkonu 40 procesorů, dostupných na českém trhu. Test je prováděn pomocí programu PCMark Vantage. Tento program se zaměřuje především na aplikační výkon. Simuluje pouštění skutečných aplikací a bodově ohodnotí výsledky jednotlivých mikroprocesorů. Toto je pouze jeden ze stovek podobných testů a programů. Z výsledků je patrné, ţe vítězí nejnovější procesory s více jádry, konkrétně 4 jádrový Core i7-965 XE (tento procesor by se dal označit i jako 8 jádrový, má další 4 virtuální jádra), fungující na nové patici LGA 1366. Má frekvenci 3,2 GHz, velikost cache L1 4 x 64 kb, L2 4 x 256 kb, L3 8 192 kb a obsahuje 731 milionů tranzistorů. Patří mezi novinky v mikroprocesorovém světě a jeho cena se pohybuje kolem 20 000 Kč. 13 HORÁK, Jaroslav. Hardware učebnice pro pokročilé. 3. vyd. Brno: CP Books, 2005. s. 32. ISBN 80-251-0647-0. 30

Zajímavostí je, ţe tento test nevyhrál procesor s nejvyšší cenou, kterým je Intel Core 2 Extreme QX9770. Pokud se podíváme na výkony mikroprocesorů AMD, tak jejich výsledky nejsou vůbec špatné. Mikroprocesor Phenom II X4 965BE obsadil dokonce třetí místo. Vezmeme-li v úvahu několikrát niţší cenu, v porovnání s mikroprocesory Intelu, je to velice dobré umístění. I tento test dokazuje, ţe mikroprocesory firmy Intel jsou i z celosvětového měřítka vládci tohoto odvětví, i kdyţ se firma AMD snaţí svému konkurentovi přiblíţit, tak se to ne vţdy zcela daří. Hlavní výhodou zůstává nízká cena, jestli chcete ušetřit náklady, AMD je zaručeně správná volba. Obrázek č. 9: Mikroprocesor Intel Core i7 Zdroj: http://pctuning.tyden.cz/ilustrace3/obermaier/nehalem/corei7_4.jpg 20.3.2010 Po detailnějším prozkoumání cen mikroprocesorů AMD a Intel zjistíme, ţe nejlevnější se dá pořídit za přibliţně 500 Kč, nejdraţší kolem 27 000 Kč. Je nutné podotknout, ţe tyto ceny nezahrnují mikroprocesory pro servery, jejichţ cena je výrazně vyšší (aţ 100 000 Kč). 31

Na začátku tohoto pojednání o mikroprocesoru jsem pouţil označení mozek počítače. A stejně jako lidské tělo, tak i počítač není bez toho mozku schopen fungovat. Ovšem označit mikroprocesor také za hlavní a nejdůleţitější faktor ovlivňující výkon počítače, je velice sloţité. Ano, výkon procesoru je velice důleţitý, ale jeho závislost na rychlosti ostatních komponent je značná. Pro příklad jmenujme operační paměť. 2.1.3 Operační paměť Je paměť vyuţívaná pro dočasnou úschovu načtených dat pro mikroprocesor. Komunikace a přesun dat mezi procesorem a operační pamětí probíhá přes sběrnici, kterou jsou tyto dvě součástky propojeny. Mezi tímto spojením bývá, jiţ dříve zmiňovaná paměť cache. Operační paměť je důleţitá pro svou rychlost, neustálý přístup k vnější paměti by byl několikrát pomalejší. Existuje několik typů pamětí. Starší, málo pouţívané paměti: DRAM (Dynamic Random Access Memory) informace uloţené pomocí elektrického náboje na kondenzátoru. Jsou velmi jednoduché a mají nízké výrobní náklady; SDRAM (Synchrous RAM) fungují synchronně s procesorem, musí mít stejnou frekvenci jako systémová sběrnice; SDR SDRAM (Single Data Rate SDRAM) první paměti do slotu DIMM. Kapacita od 32 do 512 MB. 3 standardy PC66, PC100 a PC133. Určeno taktem systémové sběrnice 66,100 a 133 MHz; DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) nástupce SDRAM, ale dosahují dvakrát vyššího výkonu. Nové, dnes nečastěji pouţívané operační paměti: DDR2 SDRAM vycházejí ze standardu DDR, mají stejný způsob zapisování a čtení dat, ale moduly nejsou kompatibilní s DDR SDRAM. Dosahují vyšší přenosové rychlosti a menší spotřeby. Mají frekvenci 533 aţ 1 066 MHz. Vyuţívá je většina dnešních počítačů; DDR3 SDRAM zatím poslední známý typ pamětí. Jedná se o nástupce DDR2 s vyšší přenosovou rychlostí a s aţ o 30 procent menší spotřebou energie. Začínají pozvolna přebírat pozici DDR2 na trhu. 32

S ohledem na výkonnost není srovnání jednotlivých výrobců a parametrů nijak sloţité. Důleţité je pouze určit kategorii pamětí, ve které budeme parametry porovnávat. Tedy DDR, DDR2 nebo DDR3. Poté je důleţité zaměřit se na frekvenci sběrnice pamětí a jejich kapacitu. U nejnovějších DDR3 můţe dosahovat frekvence sběrnice 1 066 MHz a kapacita paměti aţ 12 GB, toto se týká pouze jednoho modulu. Spojení více modulů na základní desce je samozřejmě moţné. Také nabídka výrobců je v této kategorii širší, neţ tomu bylo například u mikroprocesorů. Mezi hlavní výrobce patří firmy Kingston, Kingmax, Patriot, A-Data, Corsair a Transcend. Paměti Kingmax patří k nejprodávanějším na českém trhu. Pokud vezmeme v úvahu cenu, výkon a spolehlivost, jsou jistě absolutním vítězem. Ovšem králem této kategorie je firma Kingston. Dává ke svým pamětem doţivotní záruku a je vítězem většiny testů operačních pamětí, za tuto kvalitu pochopitelně zaplatí zákazník více peněz. Z celkového pohledu není cena operačních pamětí na českém trhu nijak horentní. Podíváme-li se na paměti DDR2 a DDR3 začíná jejich cena na 250 Kč a končí kolem 9 000 Kč. Z této cenové kalkulace jsou vynechány tzv. neznačkové paměti, jejichţ cena můţe být ještě niţší. Obrázek č. 10: Kingston HyperX DDR2-800 Zdroj: http://www.extrahardware.cz/files/images/clanky/2007/11listopad/test_ram/fotky/kingston.jpg 20.3.2010 33

2.1.4 Vnější paměť U předchozí podkapitoly 2.1.3 jsem nezmínil hlavní nevýhody operačních pamětí a to je ztráta dat při přerušení přívodu elektrické energie, jinak řečeno při vypnutí počítače a omezená kapacita. Proto jsou pouţívané vnější paměti, tedy dnes především pevný disk neboli harddisk. Jeho hlavním úkolem a výhodou je schopnost zachovat data po vypnutí počítače. K tomu se přidávají velké moţnosti kapacit disků, které mohou bez problémů dosahovat několika TB i u běţně dostupných počítačů. Pevné disky u osobních počítačů a notebooků se dělí na PATA (Parallel Advanced Technology Attachment) a SATA (Serial Advanced Technology Attachment). V dnešní době rozhraní ATA (PATA-Paralell ATA) pomalu ustupuje novějšímu SATA (SATA2). Hlavní rozdíl je především v konektoru a ve způsobu zapojení, kdy na jeden kanál ATA řadiče můţete zapojit dva pevné disky (Master a Slave), u SATA je na kaţdém kanálu pouze jeden disk. Nové SATA disky disponují technologií hot-plug, coţ umoţňuje vypojit disk za běhu počítače. Další výhodou SATA disků je technologie NCQ - disk sám zjistí, jak bude číst data tak, aby jich přečetl co nejvíce s co nejmenším počtem otáček. 14 Pokud srovnáte přenosové rychlosti, u SATA naměříte zajímavější hodnoty. Jedním z nejdůleţitějších rozdílů mezi ATA a SATA je šířka sběrnice, potaţmo šířka spojovacího kabelu. V případě klasického rozhraní PATA se jedná o 80 ţilový kabel (polovina jsou zemnící vodiče), u SATA se jedná o značně uţší 7 ţilový kabel. To však není jediné odlišení: rozdílné jsou vlastnosti sběrnice, její frekvence, způsob komunikace mezi řadičem a diskem, časování přenosu dat, přenos řídících povelů nebo kontrola integrity dat. 15 Další předností SATA disků je také napětí, které potřebují ke své práci. U těchto disků je mezi 500 600 mv, zatímco u ATA disků dosahuje obvyklých 5 V. Z toho vyplývá niţší spotřeba energie u SATA disků. Pro úplnost zmíním rozhrání SCSI (Small Computer Systém Interface) pouţívané u serverů nebo výkonných pracovních stanic. Mají větší přenosovou rychlost, vyšší otáčky ploten (10 000 15 000 ot/min), delší ţivotnost a také vyšší cenu neţ SATA a PATA disky. 14 Hshop. Rozdíly mezi rozhraním IDE, ATA a SATA. [cit. 2010-03-20]. Dostupný z WWW: < http://www.hshop.cz/rozdily-mezi-rozhranim-ide-ata-a-sata_a23.html > 15 Hshop. Rozdíly mezi rozhraním IDE, ATA a SATA. [cit. 2010-03-20]. Dostupný z WWW: < http://www.hshop.cz/rozdily-mezi-rozhranim-ide-ata-a-sata_a23.html > 34

Mimo rozdělení disků na PATA a SATA existují další parametry pro určení výkonu disků. Pokud si zákazník bude v obchodě vybírat disk, musí se zaměřit na tyto kriteria: velikost pevného disku základní parametr, průměrná velikost současných disků se pohybuje kolem 320 GB; rychlost otáčení ploten (RPM) disk můţe mít různý počet ploten, jedna například na 100 GB a ty mají různou rychlost otáčení, to ovlivňuje rychlost čtení i zápisu. Jednotkou je počet otáček za minutu. Nejčastější rychlostí je 7 200 otáček za minutu, u 500 GB disků 5 400 otáček za minutu; střední přístupová doba pro čtení tzv. seek time, průměrná doba pro čtení, jednotkou jsou milisekundy a obvykle je 8 9 ms; vyrovnávací paměť pro data v současné době v rozmezí 8 16 MB; MTFB (Mean Time Between Failures) střední doba mezi chybami, tento parametr ukazuje, jak velká by měla být poruchovost disku. Můţe být aţ milion hodin, šířka disku disky do skříní na osobní počítače mají velikost 3,5 palce; hlučnost disku tento parametr nemá vliv na výkon disku i přesto je dnes zákazníky pozorně sledován. Udává se v decibelech. Jedná se o hlučnost disku při chodu, například při čtení nebo zápisu. Velký problém v tomto směru mají některé 500 GB disky firmy Seagate, které mají vysokou hlučnost při čtení dat z disku. Výše popsané parametry jsou tedy určující pro výkon jednotlivých disků, podle kterých se odlišují. V oblasti prodeje jsou na vrcholu ţebříčku tito výrobci: Samsung, Hitachi, Western Digital, Maxtor a lídrem je firma Seagate. Nutno podotknout, ţe zmiňovat se o firmě Maxtor je sporné, protoţe všechny jejich technologie odkoupil právě Seagate. Ovšem jak dokazuje test disků firmy Czech Computer, neodpovídá vţdy pozice na trhu výkonnosti disků. Pro tento test byl pouţit prověřený testovací program PCMark 2005 společnosti Pro se zaměřením testu na výkon. Jednalo se o test 4 disků: Caviar SE Western Digital rozhraní SATA, kapacita 400 GB, RPM 7 200 ot/min, seek time 8,9 ms, vyrovnávací paměť 16 MB, hlučnost 28 db, cena 2 425 Kč; Hitachi Deskstar rozhraní SATA, kapacita 400 GB, RPM 7 200 ot/min, seek time 8,5 ms, vyrovnávací paměť 16 MB, hlučnost 30 db, cena 2 584 Kč; 35

Samsung HD rozhraní SATA, kapacita 400 GB, RPM 7 200 ot/min, seek time 8,9 ms, vyrovnávací paměť 16 MB, hlučnost 29 db, cena 2 037 Kč; Seagate Barracuda rozhraní SATA, kapacita 400 GB, RPM 7 200 ot/min, seek time 8,5 ms, vyrovnávací paměť 16 MB, hlučnost 30 db, 3 074 Kč. Pro srovnání byly přidány výsledky ultra rychlého disku Raptor Western Digital, který je špičkou mezi disky pro desktopové počítače (Rychlost otáček ploten - 10 000 otáček za minutu a seek time 4,6 milisekundy. Původně byl určen pro servery) jeho cena na českém trhu je 5 869 Kč. Obrázek č. 11: Pevný disk Raptor WD1500ADFD Zdroj: http://www.czechcomputer.cz/czc/media.nsf/0c97cd6cabb1398ec1256cc 50082f4bf/99904f763f84de4fc1257106003de11b/Body/2.1CE?OpenElement&FieldElemFormat=jpg 20.3.2010 Testovací program označil jako vítěze pevný disk firmy Western Digital Caviar SE. Ten jen těsně porazil konkurenty od Hitachi a Samsungu. Naopak překvapivě propadl nejdraţší Seagate Barracuda, který skončil s poměrně velkým bodovým odstupem na posledním místě. Paradoxem je, ţe z hlediska vyuţívané technologie je na tom nejlépe právě Seagate. Na jeho obhajobu je důleţité zmínit, ţe tento disk je zaměřený především na spolehlivost a v tomto ohledu Seagatu zbylé tři disky nemohou konkurovat. Hlučnost všech disků byla téměř stejná. 36

Obrázek č. 12: Graf testu výkonu vybraných pevných disků Zdroj: http://www.czechcomputer.cz/czc/media.nsf/w/c01453acc96521a4c1257369006d65f4/$file/_pcmark05_skore.gif 20.3.2010 Všeobecně se ceny disků do stolních počítačů pohybují v České republice od 700 Kč (za 80 GB) disky do 7 000 Kč (za 2 TB disky). 2.1.5 Napájecí zdroj Všechny komponenty připojené k základní desce, včetně desky samotné, potřebují ke své funkci elektrickou energii. Jako dodavatel této energie slouţí napájecí zdroj, který je napájený z elektrické sítě. Dnes jsou nejpouţívanější zdroje standardu ATX12V verze 2.0 nebo 2.2 a BTX. Převáţná většina současných zdrojů má šest různých druhů konektorů: napájecí konektor Main Power je připojený přímo do základní desky. Slouţí k jejímu napájení, a jak jiţ víme, deska napájí další součástky k ní připojené (různé sloty, ventilátory atd.). U ATX a BTX motherboardů má konektor 24 pinů. Existují i redukce na starší 20 pinové desky; konektor Power +12V - také zapojený přímo do motherboardu, slouţí jako pomocník Main Power konektoru, je nutný u výkonnějších mikroprocesorů, protoţe pro ně vytváří napětí. Má 4 nebo 8 (u nejnovějších a draţších zdrojů) pinů; konektor Peripheral Power obvykle 3 nebo 4 tyto konektory, na jednom zdroji. Slouţí k napájení pevných disků, optických mechanik, případně grafických karet. Existují i redukce z konektoru Peripheral Power na SATA; 37

konektor Floppy Drive jak naznačuje název, napájí disketovou mechaniku. Tyto konektory se na nových standardech zdrojů jiţ neobjevují; konektor Serial ATA začíná nahrazovat konektor Peripheral Power, má stejnou funkci, pouze vyuţívá k připojení disků a mechanik konektory SATA; Konektor PCIe napájí náročné grafické karty. Je šesti pinový. Obsahují ho pouze výkonnější a draţší napájecí zdroje, ale existuje i redukce ze dvou konektorů Peripheral Power na konektor PCIe. Důleţitými parametry pro výběr zdroje jsou tedy konektory (standard), střední doba bezporuchového provozu (MTFB - podobné jako u pevných disků) a výkon. Výkon zdrojů pro osobní počítače můţe být 250 W 1 000 W. Ovšem 1 200 W je výkon, který je pro stolní počítač zbytečně předimenzovaný. Vyuţít by ho mohl asi jen skutečně výkonný herní počítač nebo pracovní stanice. Nejpouţívanější jsou zdroje s výkonem 350 a 500 W. Dodavatelů je na českém trhu více neţ dost. Budu jmenovat 5 nejznámějších. Thermaltake, Cooler Master, be quiet!, Corsair a Modecom. Ceny se pohybují od 500 Kč za nejlevnější zdroje do 5 000 Kč za nejvýkonnější. Obrázek č. 13: Napájecí zdroj be quiet! 1 200 W Zdroj: http://il.systemb2b.com/pic/partspics/c0506049.jpg 20.3.2010 38

2.1.6 Grafická karta Grafická karta se stará o grafický výstup na monitor, TV obrazovku či jinou zobrazovací jednotku. V případě, ţe grafická karta obsahuje tzv. VIVO (video-in a video-out), umoţňuje naopak i analogový vstup videosignálu např. při ukládání video souborů z videokamery, videopřehrávačů apod. Dříve byla "grafická karta" (přesněji šlo o grafický čip) nedílnou součástí základní desky, dnes jsou grafické karty oddělené a připojené do počítače pomocí některého typu sběrnice. Grafická karta samozřejmě můţe být i integrovaná na základní desce počítače. Pokud je grafická karta integrovaná na základní desce, lze ji vypnout a nahradit grafickou kartou, která se zasune do příslušné pozice na desce. Grafické karty jsou rok od roku sloţitější a výkonnější, a jelikoţ jiţ dlouhou dobu obsahují vlastní mikroprocesor (GPU Graphics Processing Unit), paměti i sběrnice, daly by se označit za počítače v počítači. 16 Připojení grafické karty se realizuje přes PCI Express slot nebo u starších motherboardů přes AGP slot. Grafická karta má tři důleţité hardwarové součásti: GPU grafický procesor, nejdůleţitější součást karty, zajišťuje tvorbu obrazu; Operační paměť tato paměť spolupracuje s GPU. Ukládá se do ní hotový obraz a poté se přenáší na obrazovku. Její rychlost je velice důleţitá. U grafických karet, integrovaných na základní desku, vyuţívají karty operační paměť počítače; RAMDAC digitálně analogový převodník, nutné pro některé monitory. Novější LCD monitory je moţné připojit bez tohoto převodníku. Jako výstup z grafických karet je nejčastější analogový grafický výstup (VGA), digitální grafický výstup (DVI moţnost jednoduché redukce na VGA) a HDMI výstup (poměrně nová technologie, vhodná hlavně pro připojení k moderním televizorům). Zaměříme-li se na výkon karet dostupných v českých obchodech, je důleţité sledovat několik parametrů. Velikost paměťové sběrnice (64 512 bitů), typ paměti (GDDR2 GDDR5) a velikost (128 4 096 MB), taktovací frekvence procesoru GPU (240 800 MHz), taktovací frekvence paměti (166 2 000 MHz) a maximální rozlišení, které je karta schopna zvládnout. 16 Otevřená encyklopedie Wikipedie. Grafická karta. [cit. 2010-03-15]. Dostupný z WWW: < http://cs.wikipedia.org/wiki/grafická_karta > 39

Internetový magazín Extra hardware otestoval 23 grafických karet. Test byl provedený systémem 3DMark Vantage zaměřeným hlavně na výkon GPU. Program bodově ohodnotí výkon karty. Z tohoto testu vyšla vítězně grafická karta GeForce GTX 260 SP216, následovaná kartou Radeon HD 4870 X2. Podrobné výsledky uvádím v příloze číslo 2. Musím upozornit, ţe lze provést mnoho různých měření grafických karet, ze kterých mohou vyjít jiné výsledky. Záleţí na zaměření jednotlivých testů. Po zhodnocení výkonu se podíváme na trh s grafickými kartami. Dominují tyto značky ASUS, BFG, EVGA, Gainward, GigaByte, Hewlett-Packard, Leadtek, MSI, PowerColor, Sapphire a Zotac. Rozptyl cen je od 500 Kč aţ 50 000 Kč (grafická karta HP NVIDIA Quadro FX5800 4GB určená pro výkonné pracovní stanice). Obrázek č. 14: HP NVIDIA Quadro FX5800 Zdroj: http://il.systemb2b.com/pic/partspics/c2112204.jpg 20.3.2010 2.1.7 Zvuková karta Zvuková karta zprostředkovává výstup a vstup zvuku z počítače. Je k ní moţno připojit několik zařízení reproduktory, sluchátka, mikrofony, zesilovač a externí zdroje. Pokud je karta vybavena rozhráním MIDI (Music Instrumental Digital Interface), tak i elektronické hudební nástroje, vybavené touto technologií. Současné základní desky mají zvukovou kartu integrovanou na základní desce. Její kvalita není vysoká, ale na přehrávání hudby a provádění jiných základních úkonů, spojených se zvukem, je její výkon dostatečný. Z celkového pohledu jsou v počítačovém světě zvukové karty velmi opomíjenou komponentou. 40

Z pohledu výkonu nemá zvuková karta na celou počítačovou sestavu ţádný vliv, proto parametry zvukových karet nebudu uvádět, zmíním pouze nejdůleţitější výrobce a ceny. K těm patří Asus, Creative Labs, Sweex a Tracer. Ceny jsou v rozmezí 300 Kč aţ 5000 Kč. 2.1.8 Optická mechanika Optická mechanika slouţí pro přehrávání a ukládání dat na optické disky. Stejně jako zvuková karta nemá ţádný vliv na výkon počítače. V době velkých flash pamětí s přicházející specifikací USB 3.0 a stále se zvětšujících kapacitách pevných disků, nemá v počítačových sestavách zásadní význam. 2.1.9 Počítačová skříň Všechny počítačové díly, uváděné v předchozích podkapitolách, jsou umístěny v počítačové skříni, odborníky označované jako case. U této komponenty je důleţitý pouze její design, velikost a případně chlazení, tedy způsob cirkulace vzduchu v počítačové skříni. Z hlediska výkonu je správná cirkulace vzduchu velice důleţitá. Při špatném odvětrávání můţe docházet k přehřívání součástek a tím i ke sníţení výkonu. Současní výrobci skříní nemají se špatnou cirkulací vzduch ţádný problém. 2.2 Superpočítače dnešní doby Pro moţnost porovnání se superpočítači vyráběnými v minulosti, je nutné zmínit současné nejvýkonnější stroje. Podíváme-li se na velikost a váhu dnešních superpočítačů, je překvapivě téměř srovnatelná se svými předchůdci. Největší rozdíl je tedy ve výkonu. Současný nejvýkonnější cluster (zjednodušeně řečeno - více superpočítačů, pospojovaných optickou sítí) od známé firmy IBM dosahuje výkonu 1 PFLOPS (1 biliarda matematických operací s reálnými čísly za sekundu) a má spotřebu elektrické energie 2,5 MW. Pokud bychom chtěli vidět nejvýkonnější počítač světa, nebudeme potřebovat ţádné velké místnosti a klimatizace. Jedná se o koncept tzv. gridů. Jsou to běţně výkonné počítačové stanice pospojované pomoci internetu. Nejznámějším gridem je Folding@Home, jehoţ celkový výkon dá dohromady 5 PFLOPS (v projektu je 400 000 počítačů). 41

3 Měření výkonu počítačů v současnosti Na konci kapitoly 1 jsem zmínil způsoby výpočtu výkonu v minulé době. V této části práce vysvětlím současné postupy pro zjištění výkonu. 3.1 Měření výkonu superpočítačů Pokud budeme hodnotit výkon superpočítačů, je velice populární test LINPACK. Jedná se vlastně o celkem jednoduchý matematický zátěţový test s reálnými čísly, který se měří v takzvaných FLOPS. To je zkratka pro anglický Floating Points Operations Per Second. FLOPS tedy vyjadřuje počet operací s reálnými čísly za jednotku času. Pokud za jednu sekundu vypočítáte jednoduchý příklad 1,3 + 7,5, máte výkon 1 FLOPS. Pokud pouţijete kalkulačku a podaří se vám ji pouţít vícekrát, můţete se měřit s těmi nejlepšími, jeţ dosáhnou aţ na 5 FLOPS. Superpočítače z druhé poloviny 90. let si poradily se stovkami GFLOPS (stovky miliard výpočtů). 17 3.2 Měření výkonu stolních počítačů V oblasti stolních počítačů, na které se soustředí tato práce, nejsou moţnosti porovnání ve FLOPS tak jednoznačné. Ano, je moţné uvést, ţe 1 PFLOPS je výkon srovnatelný s 50 000 stolními počítači, ale uţivatelé by s těmito jednotkami asi nebyli příliš spokojeni. U těchto počítačů je důleţité soustředit se na výkon jednotlivých komponent, ze kterých se skládá. Pojďme nejdříve sestupně seřadit jednotlivé části počítače podle jejich vlivu na výkon: výkonnost mikroprocesoru, velikost operační paměti, rychlost operační paměti, propustnost sběrnic (základní deska) velikost a rychlost vyrovnávacích pamětí u procesoru, rychlost periferií (pevný disk), 17 ČÍŢEK, Jakub. TOP500: Německo má 3. nejrychlejší superpočítač. [cit. 2010-04-01]. Dostupný z WWW: < http://www.cesnet.cz/sdruzeni/napsali-o-nas/2009/06/20090624_zive.html >. 42

na výkon má samozřejmě obrovský vliv i zvolená architektura počítače a operační systém, ale na tuto oblast není má práce zaměřena. V kapitole 2 nazvané Současný stav hardwaru a jeho výkon jsem u kaţdé komponenty podrobně popisoval, podle jakých kriterií si lze jednotlivé součástky vybrat. Důleţité je upozornit, ţe porovnání výkonu celé počítačové sestavy pouze podle daných kriterií, je v praxi nemoţné. Je nutné zkoušet výpočetní systémy za reálného provozu a v reálných aplikacích. K těmto srovnáním je k dispozici velké mnoţství testovacích softwarů, které simulují běh různých aplikací a vyhodnocují výkonnost. Tyto nástroje se označují jako benchmarky. Simulují různé aplikace a výpočty, které by se měly přibliţovat reálným situacím. Výstupem těchto programů je bodové nebo procentní ohodnocení komponenty počítače, na kterou je daný benchmark určen. Jako příklad uvedu několik nejznámějších testovacích nástrojů, jejichţ demoverze jsou dostupné zdarma: 3DMark Vantage jedná se o nástroj firmy Futuremark. Je to v současnosti nejznámější a počítačovými magazíny nejpouţívanější program na testování výkonu počítače. Je zaměřen na testy velmi výkonných grafických karet a procesorů. Jeho hlavní nevýhodou jsou vysoké nároky na počítačovou sestavu. Ke své správné funkci potřebuje minimálně 1GB místa na pevném disku, 2 GB operační paměti, 2 a více jádrový mikroprocesor a grafickou kartu podporující rozhraní DirectX 10. Má 4 dostupné verze 3D Mark Vantage Trial, Basic, Advanced Edition a Professional. Pouze verze trial je dostupná zdarma. V této verzi lze provést pouze jediný test a je zakázáno veškeré nastavení. Výsledkem testu je bodové ohodnocení, které můţete porovnat s výsledky jiných PC sestav pomocí databáze dostupné na internetu; 43

Obrázek č. 15: Náhled na výsledek programu 3DMark Vantage Zdroj: http://www.extrahardware.cz/files/images/clanky/2009/03brezen/gts250_vs_hd4850/screens/gigabyte_hd4850/3dmarkvantage.jpg 28.3.2010 PCMark Vantage software od stejného výrobce, pouze je zaměřen na komplexní test celé počítače. Od mikroprocesoru, operačních pamětí, grafické karty aţ po pevný disk. Výsledky všech testů jsou opět dostupné na internetových stránkách společnosti Futuremark; 3DMark 06 a PCMark 05 předchůdci 3DMark Vantage a PCMark Vantage. Vhodné především pro uţivatel starších počítačů a Windows XP; PC Wizard vhodný na kompletní test počítače; ScienceMark je vyvíjený vědci z univerzit. Testuje především mikroprocesor, operační paměti a sběrnice. Je zaloţen na sloţitých matematických výpočtech, které dá za úkol vypočítat mikroprocesoru. Hlavní nevýhodou je nemoţnost okamţitého porovnání výsledků online. Jedinou moţností je vyhledat testy, prováděné počítačovými magazíny. Ty tento benchmark často vyuţívají; SiSoftware Sandra Lite - prověří výkon procesoru, operačních pamětí, pevných disků a dokonce i síťového připojení. Oproti jiným benchmarkům se liší zobrazováním svých výsledků. Ty ukáţe v grafu, kde se porovná právě testovaný počítač se standardním hardwarem; 44

Fresh Diagnose provádí test mikroprocesoru, operačních pamětí, pevných disků a optických mechanik. Výsledky pomocí grafu porovnává se standardním hardwarem, podobně jako program Sandra lite; HD Tach benchmark na otestování pevných disků. Měří rychlost sekvenčního čtení, vnitřní datovou propustnost, náhodný přístup, zatíţení procesoru při práci s diskem a průměrnou rychlost čtení. Na konci testu zobrazí přehledné grafy s jednotlivými údaji; RightMark Audio Analyzer program na měření parametrů zvukových karet. Výstupem jsou opět různé grafy s výsledky. Existují i jiné (oficiální) testy výkonu vyuţívané především velkými počítačovými firmami k ohodnocení výkonu jejich počítačových sestav. Například dobře známou firmou Apple. Mezi tyto testy patří SPEC (Standard Performace Evalution Corporation) hodnotí výkonnost mikroprocesoru, operačních pamětí a základní desky. Test probíhá formou simulace různých operací a matematických výpočtů. Další známé jsou testy TPC (Transaction Processing Performance Council). Jedná se o celkové hodnocení počítače. Je vhodný pro testování výkonu v databázových aplikacích. 45

4 Předpokládané trendy vývoje počítačů 18 Nikdo nedokáţe říct, co přesně se stane v čase budoucím. Ovšem dle mnohých specializovaných magazínů půjde počítačový svět směrem k optronice. Proto se pokusím vysvětlit základní princip tohoto nástupce elektroniky. Hlavní myšlenkou je omezená moţnost dalšího vývoje počítačů, zaloţených na elektronických součástkách. Dle představitelů firmy Intel dosáhnou moţnosti elektroniky kolem roku 2018 svého vrcholu a bude nutné uchýlit se k jiným technologiím. Touto technologií má být jiţ jmenovaná optronika. Připomeňme si, ţe elektronika funguje na principu přenášení elektronů. Funkce optického systému bude velice podobná, pouze se v tranzistorech místo elektronů, budou pohybovat fotony. Tyto optické částice jsou schopny přenášet signál rychlostí 300 000 kilometrů za sekundu, to je sice podobná rychlost, jakou se teoreticky dokáţe šířit elektrický proud, ale je tu zásadní rozdíl. Při šíření elektrického signálu, dochází k zahřívání elektrického vodiče a tím se elektrony i rychlost přenosu, výrazně zpomaluje. Tuto nevýhodu fotony postrádají. Další přednosti a zároveň handicapem proudu fotonů je, ţe na sebe nereagují. To je hlavním důvodem, proč se světlo zatím nepodařilo zcela zvládnout a plně vyuţívat. Aţ se vědcům tento nelehký úkol podaří, bude moci jedním místem procházet několik informačních dálnic. Pravděpodobně to povede k ještě razantnější miniaturizaci počítačů, které budou mít i tak obrovský výkon. Nejdůleţitější součástkou současných počítačů je z hlediska elektroniky tranzistor. Princip tranzistoru spočívá v tom, ţe dva proudy elektronů spolupracují na vytvoření jednoho výsledného proudu na základě pravidel logiky. Fotony takhle spolupracovat neumí, přímo se neovlivňují. Dlouho proto vědci nedokázali tuto součástku adaptovat pro potřeby optiky. 19 Průlom přišel aţ v roce 2007, kdy se na Harvardské univerzitě podařilo nasimulovat tranzistor pomocí polovodičových nanovláken. K přepnutí stavu stačí podle vědců jediný 18 BOČEK, Jan. Budoucnost počítačů X. laserové, kvantové a DNA. [cit. 2010-03-15]. Dostupný z WWW: < http://www.extrahardware.cz/historie-budoucnost-pocitacu-x-laserove-kvantove-dna-pocitace >. 19 BOČEK, Jan. Budoucnost počítačů X. laserové, kvantové a DNA. [cit. 2010-03-15]. Dostupný z WWW: < http://www.extrahardware.cz/historie-budoucnost-pocitacu-x-laserove-kvantove-dna-pocitace >. 46

foton. Pokud je tomu skutečně tak, představuje tento optistor" odrazové prkno, které by mohlo nastartovat divoký rozvoj optických počítačů. 20 Musíme si také uvědomit, ţe optika je jiţ součástí i dnešní výpočetní techniky. Přenos dat na velkou vzdálenost (internet) je realizován hlavně pomocí optických kabelů, jejichţ rychlost výrazně omezují právě různé elektronické prvky, jako jsou například přepínače. Také velké clustery jsou spojeny velmi rychlou optickou sítí. Vše tedy hovoří ve prospěch optických počítačů a je pravděpodobně pouze otázkou, jak dlouho bude trvat, neţ se tato technologie zcela prosadí. Poté bude výkon počítačů ještě mnohokrát vyšší neţ v současnosti. 20 BOČEK, Jan. Budoucnost počítačů X. laserové, kvantové a DNA. [cit. 2010-03-15]. Dostupný z WWW: < http://www.extrahardware.cz/historie-budoucnost-pocitacu-x-laserove-kvantove-dna-pocitace >. 47

Závěr Cílem mé bakalářské práce bylo přiblíţit a zhodnotit výkon výpočetních systému, od jejich počátků aţ do současnosti. Zároveň jsem se pokusil popsat současný stav hardware, aby i člověk, nepohybující se v počítačovém oboru, získal základní přehled o stavu současných stolních počítačů. Z pohledu dávné minulosti byl výkon, váha, velikost a cena velice důleţitými poloţkami udávajícími kvalitu výpočetního sytému. Problém byl především se značnými rozměry a hmotností. Připomeňme si, ţe staré superpočítače mohli zabírat i celá patra budov a stát miliony amerických dolarů. To vše kvůli zanedbatelnému výkonu, pochopitelně pouze z dnešního pohledu. Ovšem hlavně tyto obrovské kolosy a jejich nástupci pomohly v budoucnu k obrovskému rozvoji výpočetní techniky. Byla by proto velká chyba na ně zapomínat. S postupující dobou se váha i velikost počítačů výrazně sniţovala a výkon rostl. V současné době je situace jiná. Počítače jsou levné, malé a všeobecně snadno dostupné. Výkonu je relativní dostatek, většina současných běţně pouţívaných aplikací (textové editory, webové prohlíţeče apod.) ani zdaleka nepotřebuje tak výkonné počítače, jaké jsou dnes na trhu. Jedno z mála odvětví, které plně zatěţuje současné stolní počítače, je nejspíše pouze herní průmysl a náročné grafické programy. Proto se trh více zaměřuje na design, spotřebu, velikost, a dokonce i hlučnost. To je směr, kterým si zákazník přeje jít. Tomuto trendu se musí přizpůsobovat také výrobci. Musíme si tedy poloţit otázku, zda poměřování výkonu výpočetních systémů není pouze přeţitek starých počítačů, jejichţ výkon nebyl dostačující. Odpověď bude negativní. I sportovci od pradávna zaznamenávají své rekordy, aby je bylo moţné v budoucnosti překonávat. Stejné je to v počítačovém světě. Jen zásluhou porovnávání, měření a různých testů se snaţí výrobci zkonstruovat rychlejší, kvalitnější a menší součástky. Proto jsou procesory z roku 2010 aţ 5000x rychlejší a 100 000x levnější, neţ ty první z roku 1970. Jen díky těmto srovnáváním, bude pravděpodobně za 20 let psát můj nástupce bakalářskou práci o zanedbatelném výkonu výpočetních systémů v roce 2010. 48

Přípravou na tuto bakalářskou práci jsem získal mnoho nových poznatků v oblasti výkonu historických a současných výpočetních systému. Proto doufám, ţe bude i samotná moje práce přínosná všem následným čtenářům. 49

Seznam použité literatury [1] BENEŠ Vladimír. Technická infrastruktura a síťové technologie. 1. vyd. Praha: Bankovní institut, 2005. ISBN 80-7265-063-7. [2] HORÁK, Jaroslav. Hardware učebnice pro pokročilé. 3. vyd. Brno: CP Books, 2005. ISBN 80-251-0647-0. [3] HRÁZSKÝ, Josef. Mikropočítače a počítače 1: učebnice pro střední školy. 1. vyd. Praha: Informatorium, 1996. ISBN 80-85427-90-7. [4] HRÁZSKÝ, Josef. Mikropočítače a počítače 2: učebnice pro střední školy. 1. vyd. Praha: Informatorium, 1996. ISBN 80-85427-92-3. [5] MESSMER, Hans-Peter; DEMBOWSKI, Klaus. Velká kniha hardware. 1. vyd. Brno: CP Books, 2005. ISBN 80-251-0416-8. [6] RUKOVANSKÝ, Imrich. Hodnocení výkonnosti počítačových systémů. 1.vyd. Praha: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1989. ISBN 80-03-00057-2. [7] ZELENÝ, Jaroslav; MANNOVÁ, Boţena. Historie výpočetní techniky. 1. vyd. Praha: Scientia, 2006. ISBN 80-86960-04-8. 50

Seznam internetových zdrojů [1] BOČEK, Jan. Budoucnost počítačů X. laserové, kvantové a DNA. [cit. 2010-03-15]. Dostupný z WWW: < http://www.extrahardware.cz/historie-budoucnost-pocitacu-xlaserove-kvantove-dna-pocitace >. [2] ČÍŢEK, Jakub. TOP500: Německo má 3. nejrychlejší superpočítač. [cit. 2010-04-01]. Dostupný z WWW: < http://www.cesnet.cz/sdruzeni/napsali-onas/2009/06/20090624_zive.html >. [3] Hshop. Rozdíly mezi rozhraním IDE, ATA a SATA. [cit. 2010-03-20]. Dostupný z WWW: < http://www.hshop.cz/rozdily-mezi-rozhranim-ide-ata-a- SATA_a23.html > [4] JAHODA, Mirek. 23 grafických karet ve velkém shrnujícím testu. [cit. 2010-04-01]. Dostupný z WWW: < http://www.extrahardware.cz/23-grafickych-karet-ve-velkemshrnujicim-testu?page=0,18 > [5] JAHODA Mirek. Ţebříček 40 procesorů: od Sempronu po Core i7. [cit. 2010-04-01]. Dostupný z WWW: < http://www.extrahardware.cz/zebricek-40-procesoru-odsempronu-po-core-i7 > [6] KUBEŠ, Radek. Otestujte si počítač a porovnejte výsledky s přáteli. [cit. 2010-02-20]. Dostupný z WWW: < http://technet.idnes.cz/otestujte-si-pocitac-a-porovnejtevysledky-s-prateli-pd4/software.asp?c=a080510_135021_software_vse >. [7] Otevřená encyklopedie Wikipedie. Grafická karta. [cit. 2010-03-15]. Dostupný z WWW: < http://cs.wikipedia.org/wiki/grafická_karta > [8] ŠIMONOVIČ Dušan. Test programů pro měření výkonu počítače. [cit. 2010-04-01]. Dostupný z WWW: < http://www.zive.cz/clanky/test-programu-pro-mereni-vykonupocitace/sc-3-a-119406/default.aspx > 51

Seznam obrázků Obrázek č. 1: Centrální operační jednotka Analytical Engine... 10 Obrázek č. 2: Von Neumannova architektura... 12 Obrázek č. 3: Počítač UNIVAC z roku 1951... 14 Obrázek č. 4: Počítač IBM 7030 - Strech... 17 Obrázek č. 5: První počítačová myš... 20 Obrázek č. 6: IBM System S/360... 21 Obrázek č. 7: Mikroprocesor Intel Pentium... 24 Obrázek č. 8: INTEL Server Board BB5520HC... 29 Obrázek č. 9: Mikroprocesor Intel Core i7... 31 Obrázek č. 10: Kingston HyperX DDR2-800... 33 Obrázek č. 11: Pevný disk Raptor WD1500ADFD... 36 Obrázek č. 12: Graf testu výkonu vybraných pevných disků... 37 Obrázek č. 13: Napájecí zdroj be quiet! 1 200 W... 38 Obrázek č. 14: HP NVIDIA Quadro FX5800... 40 Obrázek č. 15: Náhled na výsledek programu 3DMark Vantage... 44 Seznam tabulek Tabulka č. 1: Tabulka výkonu vybraných procesorů 27 52

Příloha č. 1 Test mikroprocesorů Testovací sestavy a software: Pro všechny sestavy byly společné tyto komponenty a software: grafická karta: nvidia GeForce GTX 280, 1024 MB pevný disk: Western Digital Caviar SE16, WD5000KS zdroj: Corsair TX650w mechanika: Toshiba SD-H802A, HD DVD, DVD-ROM chladič procesoru: Evercool Buffalo, pro LGA 1156 a 1366 pak Noctua NH-C12P operační systém: Windows Vista Ultimate, 64-bit, SP1 ovladače GPU: nvidia ForceWare 180.43, GeForce PhysX: off Platforma LGA 775 sestávala z: základní deska: Asus Rampage Extreme (Intel X48) paměti: 2 1 GB Kingston DDR3-1800 Platforma LGA 1156: základní deska: Gigabyte P55-UD4P (Intel P55) paměti: 2 1 GB Kingston DDR3-1866 Platforma LGA 1366: základní deska: Gigabyte EX58-UD5 (Intel P55) paměti: 3 1 GB Qimonda DDR3-1066 Platforma AM2+ sestávala z: základní deska: Gigabyte GA-MA790GP-DS4H (AMD 790GX) paměti: 2 1 GB Kingston DDR3-1800 1

Platforma AM3 sestávala z: základní deska: Gigabyte GA-MA790FXT-UD5P (AMD 790FX) paměti: 2 1 GB Kingston DDR3-1800 2

Seznam a parametry testovaných mikroprocesorů: 3

4

5

6

Výsledky testu mikroprocesorů: 7

8

Příloha č. 2 Test grafických karet Testovací sestava a software: monitor: HP LP3065 (30", 2560 1600 px, S-IPS) procesor: Intel Core i7 920 (20 166 MHz = 3,33 GHz, Turbo Boost: 3,5 GHz) základní deska: Gigabyte GA-EX58-UD5 (Intel X58) paměti: 6 GB Kingston DDR3-1866 (1000 MHz, 7-7-7-20, 1,5 V) pevný disk: Western Digital VelociRaptor VR150 (WD3000GLFS) optická mechanika: Lite-On DH-4O1S (Blu-ray, DVD-ROM) zdroj: Gigabyte Odin GT 800W (GE-S800A-D1) skříň: Cooler Master Centurion 534 chladič CPU: Scythe Mugen 2 + Noctua NT-H1 systémové větráky: Arctic Fan12 PWM + Cooler Master 12 cm @ 800 rpm Microsoft Windows Vista Ultimate SP1 (64-bitová verze) ATI Catalyst 9.4 (změněný INF) pro Radeon HD 4670 ATI Catalyst 9.5 pro Radeon HD 4730/4770/4850/4870/4890 a 4870 X2 nvidia GeForce 185.65 pro GeForce GTX 260/275/285 nvidia GeForce 185.85 WHQL pro GeForce 9600 GT/9800 GT/GTS 250 9

Výsledky testu grafických karet: 10