Слово
"компьютер" означает вычислитель, т.е. устройство для вычислений. Потребность
в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно.
Многие тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и
т.д.
Поистине
революционным событием в истории счета было появление приборов, объединяемых
общим названием - абак. Абак мог иметь форму деревянной доски, глиняной плитки
или просто очерченного кусочка земли. Важно, что на абаке отмечались места
(колонки или строчки) для отдельных разрядов чисел.
Впервые
об абаке упоминает историк древнего мира Геродот. Абак был широко распространен
в античном мире. Его вариантами пользовались в Древнем Риме и Вавилоне, Китае,
Японии и многих других странах. Математическая задача считалась решенной в том
случае, если ее решение можно было воспроизвести на абаке.
скорее всего это случилось намного раньше. Русскими вариантами абака были
"счет костьми" и "дощаный счет".
Рис.1 Палочки |
Следующий
толчок развитию счетного дела был дан шотландским математиком Д.Непером, придумавшим
специальные счетные палочки. С палочками Непера было легко работать, но они
имели один существенный недостаток: накопленные единицы механически не
переносились в высший разряд. Все же этот незамысловатый прибор широко распространился
в Европе. У Непера оказалось много последователей, которые совершенствовали его
изобретение, создавая при этом немало остроумных и удобных для работы конструкций.
Осталось сделать последний шаг на пути создания механических счетных устройств.
Его
сделал в 1623 году профессор восточных языков в Тюбингенском университете
В.Шиккард, который в 1631 году стал также профессором математики и астрономии.
Машина Шиккарда состояла из суммирующего и множительного устройства, а также из
механизма для записи промежуточных результатов. Правильность выбора чисел и все
промежуточные результаты можно было проверить с помощью специальных окошек, в
которых появлялись цифры.
До
последнего десятилетия считалось, что первая счетная машина была изобретена
французом Блезом Паскалем в 1642 году. Дело в том, что механизм Шиккарда в свое
время был известен лишь узкому кругу людей. При тщательном разборе архива, который
принадлежал знаменитому астроному Иоганну Кеплеру, нашли письма от Шиккарда, в
них описывалась схема счетной машины. В XVII веке еще
не была налажена система научных журналов, и основным каналом для
распространения научной информации служила личная переписка ученых.
Тем
не менее, это не умаляет заслуг Блеза Паскаля, который в 1642г. изобрел
устройство, механически выполняющее сложение чисел. В своей машине (она могла
только складывать и вычитать) придумал немало остроумных инженерных решений.
Предусмотрел он также более сдобный способ фиксации результатов. Машина Паскаля
имела размеры 36´13´8 сантиметров, этот небольшой латунный
ящичек было удобно носить с собой. Все построенные Паскалем варианты машин предназначались
для работы с 6-8 - разрядными числами. Инженерные идеи Паскаля оказали огромное
влияние на многие другие изобретения в области вычислительной техники.
Следующего
этапного результата добился выдающийся немецкий математик и философ Готфрид
Вильгельм Лейбниц, высказавший в 1672 году идею механического умножения без
последовательного сложения. Уже через год он представил машину в Парижскую
академию. Арифмометр позволял механически выполнять четыре арифметических
действия. Машина Лейбница требовала для установки специального стола, так как
имела внушительные размеры: 100´30´20 сантиметров. К сожалению, до нас не
дошло ни одного достоверного описания машины.
В
1812 году английский математик Чарльз Бэббидж начал работать над так называемой
разностной машиной, которая должна была вычислять любые функции, в том числе и
тригонометрические, а также составлять таблицы.
Свою
первую разностную машину Бэббидж построил в 1822 году и рассчитывал на ней
таблицу квадратов, таблицу значений функции y=x2+x+41
и ряд других таблиц. Однако из-за нехватки средств эта машина не была
закончена, и сдана в музей Королевского колледжа в Лондоне, где хранится и по
сей день.
Однако
эта неудача не остановила Бэббиджа и в 1834 году он
приступил
к новому проекту - созданию Аналитической машины, которая должна была выполнять
вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь исполнять
программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией,
наносимой с помощью отверстий, они в то время уже широко употреблялись в
ткацких станках), и иметь "склад" для запоминания данных и промежуточных
результатов (в современной терминологии - память). С 1842 по 1848 год Бэббидж
упорно работал, расходуя собственные средства. В окончательном варианте машина
должна была включать три блока. Первый, хранящий информацию на регистрах из
цифровых колес, автор назвал "складом". В современных компьютерах ему
соответствует запоминающее устройство. Второй блок должен осуществлять различные
операции с числами, взятыми из склада; Бэббидж назвал его "фабрикой".
Соответствующий блок компьютера называется процессором. Наконец, третий блок
предназначался для автоматического управления последовательностью операций во
время вычислений, своевременной доставкой со склада нужных чисел, выводом результатов
на печать. Бэббидж не дал этому блоку специального названия, в компьютере ему
соответствует устройство управления. К сожалению, он не смог довести до конца
работу по созданию Аналитической машины - она оказалась слишком сложной для
техники того времени. Невозможно достигнуть Луны в деревянной ракете с
двигателем внутреннего сгорания, так же невозможно было сделать аналитическую машину
из механических элементов. Но заслуга Бэббиджа в том, что он впервые предложил
и частично реализовал, идею программно-управляемых вычислений. Именно Аналитическая
машина по своей сути явилась прототипом современного компьютера. Эта идея и ее
инженерная детализация опередили время на 100 лет! Говард Эйкен, конструктор
одной из первых действующих электронно-вычислительных машин ENIAC писал:
"Живи Бэббидж на 75 лет позже, я остался бы безработным".
Естественно,
что машины Паскаля, Лейбница и других изобретателей строились в одном или
нескольких экземплярах. Поэтому они не находили сколько-нибудь заметного
применения в счетном деле.
Положение
изменил весьма предприимчивый уроженец Эльзаса Карл Томас, основатель и
директор двух парижских страховых обществ. В 1818 году он сконструировал
счетную машину, уделив основное внимание технологичности механизма, и назвал ее
арифмометром. Уже через три года в мастерских Томаса было изготовлено 16 арифмометров,
а затем их выпуск был доведен до сотни в год. Большая часть (60%) машин вывозилась
за пределы Франции.
Таким
образом, Томас положил начало счетному машиностроению. Его арифмометры
выпускали в течение ста лет, постоянно совершенствуя и меняя время от времени
названия.
Начиная
с XIXв. арифмометры получили очень широкое применение. На них выполнялись даже
очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для
артиллерийских стрельб. Существовала даже особая профессия - счетчик - человек,
работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность
инструкций (такую последовательность действий впоследствии стали называть программой).
Но многие расчеты производились очень медленно - даже десятки счетчиков должны
были работать по несколько недель и месяцев. Причина проста - при таких расчетах
выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а
скорость его работы весьма ограничена.
Первые
арифмометры были дороги, ненадежны, сложны в ремонте и громоздки. Поэтому,
скажем, в России стали приспосабливать к более сложным вычислениям счеты.
Например, в 1828 году генерал-майор Ф.М.Свободской выставил на обозрение оригинальный
прибор, состоящий из множества счетов, соединенных в общей раме. Свободской не
ограничился механизацией четырех действий арифметики, прибор совершал и более
замысловатые операции. Так, извлечение кубического корня из 21-значного числа
занимало три минуты! Основным условием, позволявшим быстро вычислять, было строгое
соблюдение небольшого числа единообразных правил. Все операции сводились к
действиям сложения и вычитания. Таким образом, прибор воплощал в себе идею алгоритмичности.
Пожалуй,
одно из последних принципиальных изобретений в механической счетной технике
было сделано жителем Петербурга Вильгодтом Однером. Построенный Однером в 1890
году арифмометр фактически ничем не отличается от современных подобных ему
машин. Почти сразу Однер с компаньоном наладил и выпуск своих арифмометров - по
500 штук в год. К 1914 году в одной только России насчитывалось более 22 тысяч
арифмометров Однера. В первой четверти XXв. эти арифмометры были единственными
математическими машинами, широко применявшимися в различных областях
деятельности человека. В России эти громко лязгающие во время работы машинки
получили прозвище "Железный Феликс". Ими были оснащены практически
все конторы.
В
первые десятилетия XXв. конструкторы обратили внимание на возможность применения
в счетных устройствах новых элементов - электромагнитных реле.
В
1941 году немецкий инженер Конрад Цузе, построил вычислительное устройство, работающее
на таких реле.
Почти
одновременно, в 1943г., американец с помощью работ Бэббиджа на основе техники
XXв. - электромеханических реле - смог построить на одном из предприятий
фирмы IBM легендарный "Марк-1" (позднее "Марк-2"). Он
воплощал в себе предельные параметры, свойственные этой элементной базе.
"Марк-1" имел в длину 15 и в высоту 2,5 метра, содержал 800 тысяч деталей,
располагал 60 регистрами для констант, 72 запоминающими регистрами для сложения,
центральным блоком умножения и деления, мог вычислять элементарные
трансцендентные функции. Машина работала с 23-значными десятичными числами и
выполняла операции сложения за 0,3 секунды, а умножения - за 3 секунды.
Роль Говарда Эйкена в создании компьютеров - разработку
гарвардского "Марк-1"(IBM ASSC), и его преемника "Марк-2" -
частенько преуменьшают по двум причинам. Первая - в том, что обе эти машины
были скорее электромеханическими, чем электронными; вторая - то, что Эйкен не
придерживался той концепции, что программы должны храниться в памяти компьютера
как и полученные данные, и это было его ошибкой.
Но,
в то же время, Эйкен был провидец, человек опередивший свое время. Многие
помнят его предсказание в конце 1940-ых, еще до того, как вакуумная лампа была
полностью заменена транзистором, что настанет время, когда машина более мощная,
чем гигантские машины тех дней, сможет разместиться в блоке, размером с обувную
коробку. За несколько недель до своей смерти, Эйкен сделал и другое
предсказание. Он указал, что затраты на аппаратные средства не дают истинное
представление о цене компьютера. По мере того, как аппаратные средства будут
дешеветь, программные будут становиться все более дорогими. И в заключение он
сказал: "Придет время, когда изготовители станут отдавать аппаратные средства
даром, чтобы продать потом программное обеспечение ". Время покажет,
действительно ли он предвидел будущее.
Примерно
в то же время в Англии начала работать первая вычислительная машина на
реле, которая использовалась для расшифровки сообщений, передававшихся немецким
кодированным передатчиком.
К
середине XXв. потребность в автоматизации вычислений (в
том числе для военных нужд - баллистики, криптографии и т.д.) стала настолько велика,
что над созданием машин, подобных "Марк-1" и "Марк-2"
работало несколько групп исследователей в разных странах.
Работа
по созданию первой электронно‑вычислительной машины была начата,
по-видимому, в 1937 году в США профессором Джоном Атанасовым, болгарином по происхождению.
Эта машина была специализированной и предназначалась для решения задач
математической физики. В ходе разработок Атанасов создал и запатентовал первые
электронные устройства, которые впоследствии применялись довольно широко в
первых компьютерах. Полностью проект Атанасова не был завершен, однако через
три десятка лет в результате судебного разбирательства профессора признали родоначальником
электронной вычислительной техники.
В
1883 г. Томас Альва Эдисон, пытаясь продлить срок службы лампы с угольной
нитью, ввёл в её вакуумный баллон платиновый электрод и положительное
напряжение, то в вакууме между электродом и нитью протекает ток. Не найдя
никакого объяснения столь необычному явлению, Эдисон ограничивается тем, что
подробно описал его, на всякий случай взял патент и отправил лампу на
Филадельфийскую выставку. О ней в декабре 1884 г. в журнале ’’Инженеринг’’ была заметка ’’ Явление в лампочке
Эдисона’’. Американский изобретатель не распознал
открытия исключительной важности (по сути, это было его единственное фундаментальное
открытие - термоэлектронная эмиссия). Он не понял, что его лампа накаливания с
платиновым электродом по существу была первой в мире электронной лампой.
Первым,
кому пришла в голову мысль о практическом использовании ’’
эффекта Эдисона ’’ был английский физик Дж.А.Флеминг
(1849 - 1945). Работая с 1882 г. консультантом эдисоновской компании в Лондоне,
он узнал о ’’ явлении ’’ из
первых уст - от самого Эдисона. Свой диод - двухэлектродную лампу Флейминг создал
в 1904 г.
В
октябре 1906 г. американский инженер Ли де Форест изобрёл электронную лампу -
усилитель, или аудион, как он её тогда назвал, имевший третий электрод - сетку.
Им был введён принцип, на основе которого строились все дальнейшие электронные
лампы, - управление током, протекающим между анодом и катодом, с помощью других
вспомогательных элементов.
В
1910 г. немецкий инженеры Либен, Рейнс и Штраус сконструировали триод, сетка в
котором выполнялась в форме перфорированного листа алюминия и помещалась в
центре баллона, а чтобы увеличить эмиссионный ток, они предложили покрыть нить
накала слоем окиси бария или кальция.
Дальнейшее
развитие электронных ламп, улучшение их характеристик и функциональных
возможностей привело к созданию на их основе совершенно новых электронных
приборов.
Начиная
с 1943г. группа специалистов под руководством Г.Эйкен (Howard H.Aiken), Д.Моучли и П.Эккерта (J.Mauchly and
P.Eckert) в США начала конструировать подобную машину на основе электронных
ламп, а не реле. Эта машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator
And Computer) и работала она в тысячу раз быстрее, чем "Марк-1". Он
содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 9´15 метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150
киловатт. ENIAC имел и существенный недостаток - управление им осуществлялось с
помощью коммутационной панели, у него отсутствовала память, и для того чтобы
задать программу приходилось в течение нескольких часов или даже дней
подсоединять нужным образом провода. Кроме того, подлинным бичом была ужасающая
ненадежность компьютера, так как за день работы успевало выйти из строя около
десятка вакуумных ламп.
Чтобы
упростить процесс задания программ, Моучли и Эккерт стали конструировать новую
машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945г. к работе
был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман (J. von
Neumann), который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман
ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных
вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина,
построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15
февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых
задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем
она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года.
ENIAC
стал первым представителем первого поколения компьютеров. Любая классификация
условна, но большинство специалистов согласилось с тем, что различать поколения
следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким
образом, первое поколение представляется ламповыми машинами.
Необходимо
отметить огромную роль американского математика фон Неймана в становлении
техники первого поколения. Нужно было осмыслить сильные и слабые стороны ENIAC
и дать рекомендации для последующих разработок. В отчете фон Неймана и его
коллег Г.Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы
требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них:
*
машины на электронных элементах должны работать не в десятичной,
а в двоичной системе счисления;
*
программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;
*
программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;
*
трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие
которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической
организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и
долговременной памяти);
*
арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе
схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для
выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;
*
в машине используется параллельный принцип организации вычислительного
процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).
На
рис.2 показано, каковы должны быть связи между устройствами компьютера согласно
принципам фон Неймана (одинарные линии показывают управляющие связи, пунктир -
информационные).
Практически
все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех
поколений, их совокупность получила название "архитектура фон Неймана".
Первый
компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949г.
английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо
более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми
принципами, которые изложил в своем докладе в 1945г. Джон фон Нейман.
Новые
машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В1951 году
заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ. В 1952 году
на свет появилась американская машина EDWAC. Стоит
также отметить построенный ранее, в 1949 году, английский компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) - первую машину с хранимой программой. В 1952 году
советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ - самую быстродействующую
машину в Европе, а в следующем году в СССР начала работать "Стрела" -
первая в Европе серийная машина высокого класса. Среди создателей отечественных
машин в первую очередь следует назвать имена С.А.Лебедева, Б.Я.Базилевского,
И.С.Брука, Б.И.Рамеева, В.А.Мельникова, М.А.Карцева, А.Н.Мямлина.
Возможности
машин первого поколения были достаточно скромны. Так, быстродействие их по
нынешним понятиям было малым: от 100 ("Урал-1") до 20 000
операций в секунду (М-20 в 1959 году). Эти цифры определялись в первую очередь
инерционностью вакуумных ламп и несовершенством запоминающих устройств. Объем
оперативной памяти был крайне мал - в среднем 2 048 чисел (слов), этого не
хватало даже для размещения сложных программ, не говоря уже о данных.
Промежуточная память организовывалась на громоздких и тихоходных магнитных
барабанах сравнительно небольшой емкости (5 120 слов у БЭСМ-1). Медленно
работали и печатающие устройства, а также блоки ввода данных.
Советские
ученые и инженеры начали работы в области компьютерной техники с опозданием в
несколько лет. Тем не менее, этот временной разрыв был быстро ликвидирован.
В
1948 году на научном семинаре в Академии наук СССР присутствующих ознакомили с
содержанием американской публикации, в которой кратко и отрывочно описывалась
конструкция первой действующей электронной вычислительной машины ЭНИАК. Более
подробную информацию получить было невозможно, так как в эти годы отношения
между СССР и США были очень напряженными. Это сказывалось и на состоянии
научных связей. Однако участники семинара понимали: создавать отечественный
компьютер надо, причем, в сжатые сроки.
За
создание первой отечественной ЭВМ взялся академик АН УССР С.А.Лебедев. Работы
развернули в полуразрушенной монастырской обители Феофании, в пятнадцати
километрах от Киева. В течение 1948 года были закончены все подготовительные
работы и создан рабочий проект машины. Начерченная на ватмане блок-схема стала
потом классической, и повторялась в большинстве советских ЭВМ первого
поколения. В нее вошли арифметическое устройство (процессор), запоминающее
устройство, устройство управления и внешние устройства. Машина должна была
собираться из мелких и средних блоков. Сборка блоков велась на бракованных
дюралюминиевых шасси, которые удалось достать на одном из киевских заводов.
Несложные расчеты показали, что собранная машина займет площадь около 50 квадратных
метров.
Остановимся
на устройстве главных блоков МЭСМ. В машине было два вида "памяти" -
оперативное запоминающее устройство и долговременная память. Оперативная память
получилась внушительных размеров - четыре панели высотой три метра и шириной
один метр. Долговременная память была воплощена в виде магнитного барабана -
быстро вращающегося цилиндра с магнитным покрытием. Опыта изготовления таких барабанов
не было, поэтому пришлось обратиться за помощью в Институт физики Академии неук
УССР. В результате, группа специалистов под руководством члена-корреспондента
АН УССР А.А.Харкевича, в течение года с небольшим построила барабан. МЭСМ получила
дополнительную память объемом 5 000 чисел. Всего в МЭСМ было 6000
электронных ламп, от которых требовалось одно - работать в строго заданных
идентичных режимах. Лампы в то время были несовершенными и отличались довольно
большим разбросом значений своих параметров. Поэтому их приходилось предварительно
проверять и отбраковывать. После включения машины все равно надо было выжидать
полтора-два часа. Вскоре разработчики решили вообще не выключать машину, и она
стала работать круглосуточно. Но возникла новая проблема, связанная с
перегревом МЭСМ. Результатом был постоянный выход из строя электронных схем.
Ввод данных в машину производился с помощью магнитной ленты, а для вывода результатов
использовалось цифропечатающее устройство, сопряженной с памятью.
На
что же была способна МЭСМ? Она могла выполнять 50 математических операций в
секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды. Всего машина
выполнила 12 различных команд. Из 6 000 электронных
ламп 4 000 использовались в запоминающем устройстве. МЭСМ потребляла
мощность, равную 25 киловаттам.
Осенью
1951 года на машине начали решать первые реальные пробные задачи. Одной из них
была задача из области баллистики, которая особенно запомнилась разработчикам,
так как машина впервые выделила и локализовала ошибку проводивших расчеты
математиков высокой квалификации.
25
декабря 1951 года произошло знаменательное событие, открывшее историю советской
компьютерной техники. Именно в этот день МЭСМ была принята в эксплуатацию
весьма представительной комиссией Академии наук СССР во главе с академиком
М.В.Келдышем.
Почти
сразу же в Феофанию началось паломничество московских и киевских математиков с
задачами, которые нельзя было решить без помощи ЭВМ. Одной из важнейших практических
задач успешно решенной на МЭСМ, были расчеты устойчивости параллельной работы
агрегатов Куйбышевской ГЭС. В результате были выработаны рекомендации,
позволившие существенно повысить величину передаваемых в Москву мощностей.
Поскольку
до 1953 года МЭСМ оставалась единственной в стране (кстати, и в Европе)
работающей электронной вычислительной машиной, она была предельно загружена
решением важных и особо важных задач. В то время график распределения машинного
времени утверждал президент Академии наук СССР. МЭСМ просуществовала до 1956
года, после чего ее демонтировали и передали в качестве учебного пособия в
Киевский политехнический институт. Фактически МЭСМ можно назвать действующим
макетом ЭВМ, поскольку все ее электронные схемы были развешены по стенам и
работавший на ней программист оказывался как бы внутри машины. В то же время
МЭСМ стала первой реально работающей вычислительной машиной.
МЭСМ
передала эстафету построенной в 1952 году в Институте точной механики и
вычислительной техники Академии наук СССР машине БЭСМ. Руководителем этой разработки
снова был академик С.А.Лебедев. По своим параметрам БЭСМ на порядок превосходила
МЭСМ. Еще через год под руководством доктора технических наук Ю.Я.Базилевского
была создана ЭВМ "Стрела" - первый компьютер, запущенный в серийное
производство. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: "Урал", М-2, М-3,
БЭСМ‑2, "Минск‑1", - которые воплощали в себе все более
прогрессивные инженерные решения.
В
50-х годах машина М-20 (главный конструктор - академик С.А.Лебедев) была одной
из лучших в мире. На этой машине решалось большинство теоретических и прикладных
задач, связанных с развитием самых передовых областей науки и техники. В
частности, на комплексах из М-20 обрабатывались данные космических
исследований. Начало действовать и довольно широко применяться в народном
хозяйстве первое поколение отечественных компьютеров.
По
сравнению с США, СССР и Англией развитие электронной вычислительной техники в
Японии, ФРГ и Италии задержалось. Первая японская машина "Фуджик"
была введена в эксплуатацию в 1956 году, серийное производство ЭВМ в ФРГ
началось лишь в 1958 году.
ЭВМ
первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами
компьютерной техники. Они довольно быстро сошли со сцены, так как не нашли
широкого коммерческого применения из-за ненадежности, высокой стоимости,
трудности программирования. Это были в основном машины для громоздких расчетов.
Элементной
базой второго поколения стали полупроводники. Без сомнения, транзисторы можно
считать одним из наиболее впечатляющих чудес XXв.
Патент
на открытие транзистора был выдан в 1948 году американцам Д.Бардину и У.Браттейну,
а через восемь лет они вместе с теоретиком В.Шокли стали лауреатами Нобелевской
премии. Скорости переключения уже первых транзисторных элементов оказались в
сотни раз выше, чем ламповых, надежность и экономичность - тоже. Впервые стала
широко применяться память на ферритовых сердечниках и тонких магнитных пленках,
были опробованы индуктивные элементы - параметроны.
Наиболее
яркими представителями второго поколения были машины стретч (сша, 1961), "Атлас" (Англия, 1962), БЭСМ-6
(СССР, 1966). Пожалуй, построение таких систем, имевших в своем составе около
105 переключательных элементов, было бы просто невозможным на основе
ламповой техники. Второе поколение рождалось в недрах первого, перенимая многие
его черты.
Первая
бортовая ЭВМ для установки на межконтинентальной ракете - "Атлас" -
была введена в эксплуатацию в США в 1955 году. В машине использовалось 20 тысяч
транзисторов и диодов, она потребляла 4 киловатта. В 1961 году наземные
компьютеры фирмы "Бэрроуз" управляли космическими полетами ракет
"Атлас", а машины фирмы IBM контролировали
полет астронавта Гордона Купера. Под контролем ЭВМ проходили полеты беспилотных
кораблей типа "Рейнджер" к Луне в 1964 году, а также корабля
"Маринер" к Марсу. Аналогичные функции выполняли и советские компьютеры.
Первые
серийные универсальные ЭВМ на транзисторах были выпущены в 1958 году
одновременно в США, ФРГ и Японии.
В
Советском Союзе первые безламповые машины "Сетунь",
"Раздан" и "Раздан‑2" были
созданы в 1959‑1961 годах. В 60-х годах советские
конструкторы разработали около 30 моделей транзисторных компьютеров, большинство
которых стали выпускаться серийно. Наиболее мощный из них - "Минск‑32" выполнял 65 тысяч операций в секунду.
Появились целые семейства машин: "Урал", "Минск", БЭСМ.
Рекордсменом
среди ЭВМ второго поколения стала БЭСМ‑6, имевшая быстродействие около 30
моделей транзисторных компьютеров, большинство которых стали выпускаться
серийно. Наиболее мощный из них - "Минск‑32" выполнял 65 тысяч
операций в секунду. Появились целые семейства машин: "Урал",
"Минск", БЭСМ. Рекордсменом среди ЭВМ второго поколения стала БЭСМ‑6,
имевшая быстродействие около миллиона операций в секунду, - одна из самых
производительных в мире. Архитектура и многие технические решения в этом компьютере
были настолько прогрессивными и опережающими свое время, что он успешно
использовался почти до нашего времени.
Специально
для автоматизации инженерных расчетов в Институте кибернетики Академии наук
УССР под руководством академика В.М.Глушкова были разработаны компьютеры МИР
(1966) и МИР-2 (1969). Важной особенностью второй машины явилось использование
телевизионного экрана для визуального контроля информации и светового пера, с
помощью которого можно было корректировать данные прямо на экране.
К
середине 60-х годов бум в области транзисторного производства достиг максимума
- произошло насыщение рынка. Дело в том, что сборка электронного оборудования
представляла собой весьма трудоемкий и медленный процесс, который плохо
поддавался механизации и автоматизации.
Таким
образом, созрели условия для перехода к новой технологии, которая позволила бы
приспособиться к растущей сложности схем путем исключения традиционных
соединений между их элементами. Идея интегральных схем носилась в воздухе.
Приоритет
в изобретении интегральных схем, ставших элементной базой ЭВМ третьего поколения,
принадлежит американским ученым Д.Килби и Р.Нойсу, сделавшим это открытие независимо
друг от друга. Массовый выпуск интегральных схем начался в 1962 году.
Уже
в 1964 году было объявлено о планах выпуска дешевого (!) настольного калькулятора,
в котором вместо 21 тысячи дискретных элементов (как в обычных калькуляторах)
предполагалось использовать 29 интегральных схем. Упоминавшийся выше ЭНИАК в
1971 году мог бы быть собран на пластине в полтора квадратных сантиметра.
Началось перевоплощение электроники в микроэлектронику.
Несмотря
на успехи интегральной техники и появление мини-ЭВМ, в 60-х годах продолжали
доминировать большие машины. Таким образом, третье поколение компьютеров, зарождаясь
внутри второго, постепенно вырастало из него.
Первая
массовая серия машин на интегральных элементах стала выпускаться в 1964 году
фирмой IBM. Эта серия, известная под названием IBM-360, оказала значительное влияние на развитие
вычислительной техники второй половины 60-х годов. Она объединила целое
семейство ЭВМ с широким диапазоном производительности, причем совместимых друг
с другом. Последнее означало, что машины стало возможно связывать в комплексы,
а также без всяких переделок переносить программы, написанные для одной ЭВМ, на
любую другую из этой серии. Таким образом, впервые было выявлено коммерчески
выгодное требование стандартизации аппаратного и программного обеспечения ЭВМ.
В
СССР первой серийной ЭВМ на интегральных схемах была машина "Наири-3"
, появившаяся в 1970 году. Со второй половины 60-х годов Советский Союз
совместно со странами СЭВ приступил к разработке семейства универсальных машин,
аналогичного системе ibm-360. В 1972 году началось серийное производство стартовой,
наименее мощной модели Единой системы - ЭВМ ЕС-1010, а еще через год - пяти
других моделей. Их быстродействие находилась в пределах от десяти тысяч
(ЕС-1010) до двух миллионов (ЕС-1060) операций в секунду.
В
рамках третьего поколения в США была построена уникальная машина ИЛЛИАК-4, в
составе которой в первоначальном варианте планировалось использовать 256
устройств обработки данных, выполненных на монолитных интегральных схемах. Позднее
проект был изменен, из-за довольно высокой стоимости (более 16 миллионов долларов).
Число процессоров пришлось сократить до 64, а также перейти к интегральным
схемам с малой степенью интеграции. Сокращенный вариант проекта был завершен в
1972 году, номинальное быстродействие ИЛЛИАК-4 составило 200 миллионов операций
в секунду. Почти год этот компьютер был рекордсменом в скорости вычислений.
Именно
в период развития третьего поколения возникла чрезвычайно мощная индустрия
вычислительной техники, которая начала выпускать в больших количествах ЭВМ для
массового коммерческого применения. Компьютеры все чаще стали включаться в
информационные системы или системы управления производствами. Они выступили в
качестве очевидного рычага современной промышленной революции.
Начало
70-х годов знаменует переход к компьютерам четвертого поколения - на
сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Другим признаком ЭВМ нового поколения
являются резкие изменения в архитектуре.
Техника
четвертого поколения породила качественно новый вид ЭВМ - микропроцессор.
Обычно при работе машины процессор используется с наименьшим коэффициентом
занятости, так как при решении конкретной задачи не пускает в ход все свои
логические возможности. Поэтому в 1971 году пришли к идее ограничить
возможности процессора, заложив в него небольшой набор операций, микропрограммы
которых должны быть заранее введены в постоянную память. Оценки показали, что
применение постоянного запоминающего устройства в 16 килобит позволит исключить
100‑200 интегральных схем логики. Так возникла идея микропроцессора,
который можно реализовать даже на одном кристалле, а программу в его память
записать навсегда. В рядовом микропроцессоре уровень интеграции соответствует
плотности, равной примерно 500 транзисторам на один квадратный миллиметр, при
этом достигается очень хорошая надежность.
К
середине 70-х годов положение на компьютерном рынке резко и непредвиденно стало
изменяться. Четко выделились две концепции развития ЭВМ. Воплощением первой
концепции стали суперкомпьютеры, а второй - персональные ЭВМ.
Из
больших компьютеров четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах
особенно выделяются американские машины "Крей-1" и
"Крей-2", а также советские модели "Эльбрус-1" и
"Эльбрус-2". Первые их образцы появились примерно в одно и то же
время - в 1976 году. Все они относятся к категории суперкомпьютеров, так как
имеют предельно достижимые для своего времени характеристики и очень высокую
стоимость.
В
машинах четвертого поколения сделан отход от архитектуры фон Неймана, которая
была ведущим признаком подавляющего большинства всех предыдущих компьютеров.
Один из генеральных принципов в суперкомпьютере - функциональный параллелизм.
Вместо одного процессора его архитектура включает десятки, сотни и даже тысячи
параллельно работающих процессоров. Последние модели суперов снабжены, кроме того,
процессорами ввода/вывода.
Многопроцессорные
ЭВМ, в связи с громадным быстродействием и особенностями архитектуры,
используются для решения ряда уникальных задач гидродинамики, аэродинамики,
долгосрочного прогноза погоды и т.п. Наряду с суперкомпьютерами в состав
четвертого поколения входят многие типы мини-ЭВМ, также опирающиеся на элементную
базу из сверхбольших интегральных схем.
Персональный
компьютер во многих отношениях является антиподом суперкомпьютера.
Это
наглядно отражено в таблице:
| Показатели | Суперкомпьютер | Персональный компьютер |
| Цена | max | min |
| Распространение | min | max |
Квалификация пользователя |
max |
min |
min - минимум; max - максимум
Одним
словом, эти два вида компьютеров занимают различные "ниши" и пока не
соперничают друг с другом.
В
1973 году на рынке господствовала горстка производителей, в том числе ibm, dec, hewlett-Packard.
Доходы этих фирм исчислялись миллиардами долларов и основывались, главным
образом, на больших системах (мэйнфреймах) и миникомпьютерах. До них еще не дошла
важность микропроцессоров, и компании не строили планы об использовании этого
новшества. Это оставило щелку для мелких предпринимателей, которые незамедлительно
разработали новую технологию, радикально изменившую стандарты конструирования и
применения компьютеров.
Кроме
того, огромную роль в популяризации персональных компьютеров сыграли
компьютерные журналы. Такие издания как "Radio
Electronics" и "Popular Electronics"
разжигали интерес к потенциалу микрокомпьютеров. По всей территории США
возникли клубы любителей. Самым примечательным был компьютерный клуб Homebrew, образованный в марте 1975 г. в Менло-Парке (штат
Калифорния). В состав его первых членов входили Стив Джобс и Стив Возняк,
позднее основавшие компанию Apple Macintosh.
Поэтому,
когда появился первый микрокомпьютер, на него сразу же возник огромный спрос
среди тысяч любителей, интерес которых подпитывался ежемесячно появлявшимися
статьями в журналах.
В
1974г. небольшая компания в Альбукерке (штат Нью-Мексико) создала первый
персональный компьютер.
Эд
Робертс, организовавший в 1968 г. MITS (Micro Instrumentation
and Telemetry Systems), занимался производством калькуляторов. В 1973 г.
вследствие жесткой конкуренции со стороны Texas Instruments он
оказался на грани банкротства, и вынужден был искать новую нишу на рынке.
Робертса заинтересовал чип 8080, выпущенный Intel в апреле
1974 г., и уверенный в том, что этот микропроцессор может стать основой микрокомпьютера,
он сам создал такую машину. Он назвал ее "Altair".
"Первый
в мире комплект для сборки миникомпьютера – соперника промышленных
моделей", – так писал журнал "Popular
Electronics", поместивший фотографию этого компьютера на обложку
январского номера за 1975 г. в погоне за сенсацией. Эта реклама привела к
лавине чеков, намного превзошедшей самые смелые ожидания Эда Робертса.
Что
же представляла собой эта воплощенная мечта любителей?
Покупателям
компьютера, заплатившим 397 долларов за комплект, нужен был еще паяльник и
изрядное терпение. Машина требовала очень тщательной подетальной сборки,
которая занимала не один час. После сборки он являл собой металлическую
коробку. У него не было ни клавиатуры, ни монитора; ввод и вывод данных
осуществлялся через панель переключателей. Внутри коробки располагались две
платы с логическими схемами и блок питания. На одной плате находился процессор,
включающий чип Intel 8080, а на другой – запоминающее
устройство емкостью 256 байт. После этой процедуры возникала другая проблема; Altair не мог постоянно сохранять данные. Более того,
эксплуатация компьютера была очень сложной и требовала знаний программиста. Программы
и данные приходилось вводить в машину с помощью тумблерных переключателей, находившихся
на передней панели. Команды программировались на "машинном языке" - в
виде последовательностей нулей и единиц – что требовало серьезных технических
знаний, а также очень проворных пальцев. Малейшая ошибка означала необходимость
начинать все с самого начала. Мигающие световые индикаторы на передней панели
сообщали результат. Когда машину выключали, программа и данные терялись, поскольку
компьютер был снабжен энергозависимой оперативной памятью.
И
все же, несмотря на серьезные недостатки, Altair стал бестселлером. Тысячи любителей,
всегда мечтавших о собственном компьютере, безрассудно заказывали практически
бесполезную для себя вещь. Лишь немногие, например Стив Домпье, пытались найти
ему реальное применение. Он обнаружил, что Altair вызывает помехи в
радиоприемнике и написал программу, управляющую частотой и длительностью
электростатических разрядов, и заставил компьютер исполнять "Fool
on the Hill" Beatles с помощью радиоприемника. На состоявшемся в
апреле 1975 г. собрании клуба Homebrew он методично,
строчка за строчкой, передвигая переключатели, ввел свою программу, и
остолбеневшая аудитория услышала эту песню в исполнении компьютера.
Так,
из маленького американского городка, началось триумфальное шествие персонального
компьютера по миру, изменяя жизнь, быт и даже мышление людей.
К
сожалению, невозможно в рамках студенческого реферата охватить всю историю
компьютеров. Можно было бы еще долго рассказывать о том, как в маленьком городке
Пало-Альто (штат Калифорния) в научно-исследовательском центре Xerox PARK
собрался цвет программистов того времени, чтобы разработать революционные
концепции, в корне изменившие образ машин, и проложить дорогу для компьютеров
конца XXв. Как талантливый школьник Билл Гейтс и его друг Пол Аллен познакомились
с Эдом Робертсом и создали удивительный язык БЕЙСИК для компьютера Altair, что
позволило разрабатывать для него прикладные программы. Как постепенно менялся
облик персонального компьютера, появились монитор и клавиатура, накопитель на
гибких магнитных дисках, так называемых дискетах, а затем и жесткий диск. Неотъемлемыми
принадлежностями стали принтер и "мышь". Можно было бы рассказать и о
невидимой войне на компьютерных рынках за право устанавливать стандарты между
огромной корпорацией IBM - великой "Биг Блю", и молодой Apple, дерзнувшей с ней соревноваться, заставившей весь мир
решать, что же лучше Macintosh или PC?
И о многих других интересных вещах, происходивших совсем недавно, но ставших
уже историей.
Да,
для наших детей мир без компьютера – далекая история, примерно такая же далекая,
как открытие Америки или Октябрьская революция. А я, каждый раз, включая
компьютер, не перестаю удивляться человеческому гению, создавшему это чудо. Без
компьютера немыслима сегодняшняя жизнь, область их применения огромна. Это
удобный инструмент для работы любого офиса, включающий пишущую машинку и
калькулятор, сложнейшие электронные таблицы и бухгалтерские программы. Это
замечательные игровые программы, программы для обучения детей, и даже взрослых,
например, иностранным языкам. На нем можно слушать музыку и даже сочинять ее самостоятельно.
С ним можно играть в шахматы и создавать мультипликацию, просматривать видеофильмы.
Благодаря глобальной сети Интернет, компьютер - это огромное хранилище информации.
С его помощью можно общаться на так называемых chat-каналах
и просто вести переписку, как деловую, так и личную. Еще можно долго перечислять
возможности персональных компьютеров, но я думаю и так уже ясно - без них
наша жизнь была бы совсем другой.
| ! |
Как писать рефераты Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов. |
| ! | План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом. |
| ! | Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач. |
| ! | Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты. |
| ! | Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ. |
| → | Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре. |