ТОЭЭ история вычислительной техники ИСиТК РиЭКТ ВСТ КС

ПОКОЛЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Механические вычислительные машины от античности до ХIХ века

Первые механические вычислительные устройства возникли в древности. Несколько тысячелетий назад в Древнем Египте, затем в Древней Греции и Древнем Риме использовались механические счеты. Это были счеты типа абак передвигающимися костяшками. Еще во времена Гука и Декарта были построены сложные механические вычислители лунных приливов. В 1823 году Бэббиджем было начато строительство настоящей вычислительной машины с изменяемыми программами. Их первой программисткой была графиня Лавлейс (Августа Ада Кинг, урожденная Байрон, дочь известного поэта).

В 1832 году С. Н. Корсаковым были предложены разработанные им различные вычислительные ("интеллектуальные") машины, совершающие сложные логические операции, позволявшие находить решения по заданным условиям, например, определять наиболее подходящие лекарства по наблюдаемым у пациента симптомам заболевания.

Последним широко известным механическим вычислительным устройством был арифмометр “Феликс”.

Электромеханические вычислительные машины конца XIX - первой половины ХХ века

Первые электромеханические коммутационные и сетевые устройства были изготовлены на базе электромагнитных реле еще в XIX веке. Они использовались в телеграфии, которая опутала Земной шар линиями передачи двоичной информации в азбуке Морзе. В начале ХХ века появились электромеханические логические устройства автоматических агрегатов, устройства сетевого управления. Это были всевозможные программируемые и непрограммируемые автоматы, шаговые искатели и пр. Они получили развитие в телеграфных и телефонных станциях и сетях, релейных систем управления на транспорте, энергетике и технологических цепях.

В 1889 году немец, живший в США, Герман Холлерит сконструировал перфокарточное устройство для решения статистических задач и основал фирму по производству вычислительных машин, которая с 1915 года стала называться IBM - International Business Machines (Международные Деловые Машины), так как располагалась не только в США, но и Германии.

Перфокарта Германа Холерита, прослужившая в вычислительных машинах сто лет - с 1889 по 1989.

Табулятор IBM, 1937 г., применявшийся для механизации статистического дела во многих странах, в том числе и СССР

В отличие от идеи Бэббиджа, хранить на перфокартах инструкции, Холлерит использовал перфокарты для хранения данных. Кроме того, для работы перфокарточного устройства использовалось электричество. Цифры на перфокарте изображались одинарными отверстиями, а буквы алфавита - двойными. Специальный электрический прибор опознавал отверстия на перфокартах и посылал сигналы в обрабатывающее устройство. Вычислительная машина Холлерита оказалась по тем временам очень быстрым устройством обработки данных, а перфокарты - удобным способом хранения данных. Машина Холлерита была использована для обработки результатов переписи населения США. Обработка результатов предыдущей переписи 1880 года заняла около 10 лет. За это время успело вырасти новое поколение американцев. С помощью машины Холлерита те же данные были обработаны всего за шесть недель. В 1896 году Холлерит основал компанию по производству перфорирующих устройств - Tabulating Machine Company, которая в XX веке превратилась в знаменитую корпорацию по производству компьютеров - IBM

Кроме механических и электромеханических вычислительных машин появились также аналоговые вычислительные машины, в которых обработка информации происходила с помощью специально подобранного физического процесса, моделирующего вычисляемую закономерность. Простейшей аналоговой вычислительной машиной являются часы. Первыми аналоговыми машинами были устройства, в которых главными элементами были интегрирующие и дифференцирующие устройства, позволяющие мгновенно вычислять интеграл и производную заданной функции, отслеживая ее изменение во времени.
Полезным свойством аналоговой вычислительной машины является практически мгновенное получение решения после задания необходимых параметров задачи установления моделирующего физического процесса. Однако круг задач, которые может решать аналоговая машина, ограничен теми физическими процессами, которые она в состоянии моделировать. Кроме того, точность решения аналоговой машины часто недостаточна для определенного круга задач, а повышение точности связано со значительным ростом стоимости вычислений.
С другой стороны, механические и электромеханические вычислительные машины, предназначенные для решения сложных задач, требуют наличия огромного количества элементов для представления чисел и связей между ними, что существенно усложняет их работу.

Первое поколение ЭВМ 1938 - 1956 годы

Вычислительная машина Z3 Конрада Цузе

С началом второй мировой войны правительства разных стран начали разрабатывать вычислительные машины, осознавая их стратегическую роль в ведении войны. Увеличение финансирования в значительной степени стимулировало развитие вычислительной техники. В 1930-е годы германские ученые и инженеры разработали принципы построения электронныех вычислительных машин на основе уже работавших в те времена табуляторов Холлерита и механических арифмометров. В 1938 году была запущена первая в мире электронная вычислительная машина Z1, созданная под руководством немецкого инженера Конрада Цузе, а в следующем, 1941 году - значительно усовершенствованная модель Z2, выполнявшая расчеты, необходимые при проектировании самолетов и баллистических ракет Вернера фон Брауна, а также использовавшаяся для вычисления критической массы ядерной реакции распада смеси урана 238 и 235, обогащением которой занималась германская промышленность в те годы, создавая в Лейпциге, Хайгерлохе и Потсдаме первые в мире атомные реакторы на уране.

В 1943 году английские инженеры завершили создание вычислительной машины для дешифровки сообщений немецкой армии, названной "Колосс". Однако эти устройства не были универсальными вычислительными машинами, они предназначались для решения конкретных задач.
В 1944 году, получив данные о немецких разработках через разведку, американский инженер Говард Эйкен при поддержке фирмы IBM сконструировал компьютер для выполнения баллистических расчетов. Этот компьютер, названный "Марк I", по площади занимал примерно половину футбольного поля и включал более 600 километров кабеля. В компьютере "Марк I" использовался принцип электромеханического реле, заключающийся в том, что электромагнитные сигналы перемещали механические части. "Марк I" был довольно медленной машиной: для того чтобы произвести одно вычисление требовалось 3-5 с. Однако, несмотря на огромные размеры и медлительность. "Марк I" управлялся с помощью программы, которая вводилась с перфоленты. Это дало возможность, меняя вводимую программу, решать довольно широкий класс математических задач.
В 1946 году американские ученые Джон Мокли и Дж. Преспер Эккерт сконструировали электронный вычислительный интегратор и калькулятор (ЭНИАК) - компьютер, в котором электромеханические реле были заменены на электронные вакуумные лампы. Применение вакуумных ламп позволило увеличить скорость работы ЭНИАК в 1000 раз по сравнению с "Марк I". ЭНИАК состоял из 18000 вакуумных ламп, 70000 резисторов, 5 миллионов соединительных спаек и потреблял 160 кВт электрической энергии, что по тем временам было достаточно для освещения большого города. ЭНИАК использовался для расчета баллистических таблиц, расчетов в области атомной энергетики (то есть повторением того, что делали немцы), аэродинамики.
Ранние вычислительные машины могли выполнять только команды, поступающие извне, причем команды выполнялись поочередно. Хотя использование перфокарт позволяло упростить процесс ввода команд, тем не менее, часто процесс настройки вычислительной машины и ввода команд занимал больше времени, чем собственно решение поставленной задачи. Сегодня среди несведущей толпы распространяется миф о том, что американец еврейского происхождения Янош Нейман (называющий себя "Фон Нейман") предложил включить в состав компьютера для хранения последовательности команд и данных специальное устройство - память. Это опровергается реальной историей, которая свидетельствует о том, что принципы последовательной обработки данных и их хранения в "памяти" вычислительной машины бвли разработаны и внедрены германскими специалистами в 1930-х - 1940 году. Первая статья Джона фон Неймана, посвященная способам организации вычислительного процесса, была опубликована в 1946 году, пять лет спустя запуска германской ЭВМ Z2. В действительности архитектура ЭВМ постоянно изменялась и дополнялась, но исходные принципы управления работой компьютера с помощью хранящихся в памяти программ, впервые разработанные и внедренные германскими инженерами, остались нетронутыми, Подавляющее большинство современных компьютеров построено именно по такой последовательной архитектуре. В 1945 году в рамках спецоперации спецслужб США были захвачены и вывезены в США сотни специалистов в области физики, химического производства, вычислительных машин, которыми были укреплены американские НИИ, КБ и производства, в том числе и фирма IBM, являвшаяся главным производителем механической вычислительной техники в США еще до начала XX века.

В 1951 году был создан первый компьютер, предназначенный для коммерческого использования, - УНИАК (универсальный автоматический компьютер). В 1952 году с помощью УНИАК был предсказан результат выборов президента США.
Работы по созданию вычислительных машин велись и в СССР. Так, в 1950 году в Институте электроники Академии наук Украины под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева была разработана и введена в эксплуатацию МЭСМ (малая электронная счетная машина). МЭСМ стала первой отечественной универсальной ламповой вычислительной машиной в СССР. В 1952-1953 годах МЭСМ оставалась самой быстродействующей (50 операций в секунду) вычислительной машиной в Европе. Принципы построения МЭСМ были разработаны С. А. Лебедевым независимо от аналогичных работ на Западе.
В компьютерах первого поколения использовался машинный язык - способ записи программ, допускающий их непосредственное исполнение на компьютере. Программа на машинном языке представляет собой последовательность машинных команд, допустимых для данного компьютера. Процессор непосредственно воспринимает и выполняет команды, выраженные в виде двоичных кодов. Для каждого компьютера существовал свой собственный машинный язык. Это также ограничивало область применения компьютеров первого поколения.
Появление первого поколения компьютеров стало возможно благодаря трем техническим новшествам: электронным вакуумным лампам, цифровому кодированию информации и созданию устройств памяти на электростатических трубках. Компьютеры первого поколения имели невысокую производительность: до нескольких тысяч операций в секунду. В компьютерах первого поколения использовалась архитектура фон Неймана. Средства программирования и программного обеспечение еще не были развиты, использовался низкоуровневый машинный язык. Область применения компьютеров была ограничена.

Логические схемы создавались на дискретных радиодеталях и электронных вакуумных лампах с нитью накала. В оперативных запоминающих устройствах использовались магнитные барабаны, акустические ультразвуковые ртутные и электромагнитные линии задержки, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). В качестве внешних запоминающих устройств применялись накопители на магнитных лентах, перфокартах, перфолентах и штекерные коммутаторы.

Программирование работы ЭВМ этого поколения выполнялось в двоичной системе счисления на машинном языке, то есть программы были жестко ориентированы на конкретную модель машины и "умирали" вместе с этими моделями.

В середине 1950-х годов появились машинно-ориентированные языки типа языков символического кодирования (ЯСК), позволявшие вместо двоичной записи команд и адресов использовать их сокращенную словесную (буквенную) запись и десятичные числа. В 1956 году был создан первый язык программирования высокого уровня для математических задач - язык Фортран, а в 1958 году - универсальный язык программирования Алгол.

ЭВМ, начиная от UNIVAC и заканчивая БЭСМ-2 и первыми моделями ЭВМ "Минск" и "Урал", относятся к первому поколению вычислительных машин.

Второе поколение ЭВМ: 1960-1970-е годы

Логические схемы строились на дискретных полупроводниковых и магнитных элементах (диоды, биполярные транзисторы, тороидальные ферритовые микротрансформаторы). В качестве конструктивно-технологической основы использовались схемы с печатным монтажом (платы из фольгированного гетинакса). Широко стал использоваться блочный принцип конструирования машин, который позволяет подключать к основным устройствам большое число разнообразных внешних устройств, что обеспечивает большую гибкость использования компьютеров. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до сотен килогерц.

Стали применяться внешние накопители на жестких магнитных дисках1 и на флоппи-дисках - промежуточный уровень памяти между накопителями на магнитных лентах и оперативной памятью.

В 1964 году появился первый монитор для компьютеров - IBM 2250. Это был монохромный дисплей с экраном 12 х 12 дюймов и разрешением 1024 х 1024 пикселов. Он имел частоту кадровой развертки 40 Гц.

Создаваемые на базе компьютеров системы управления потребовали от ЭВМ более высокой производительности, а главное - надежности. В компьютерах стали широко использоваться коды с обнаружением и исправлением ошибок, встроенные схемы контроля.

В машинах второго поколения были впервые реализованы режимы пакетной обработки и телеобработки информации.

Первой ЭВМ, в которой частично использовались полупроводниковые приборы вместо электронных ламп, была машина SEAC (Standarts Eastern Automatic Computer), созданная в 1951 году.

В начале 60-х годов полупроводниковые машины стали производиться и в СССР.

Третье поколение ЭВМ: 1970-1980-е годы

В 1959 году Джек Килби представил технологию изготовления гибридных интегральных схем. В 1960 году Роберт Нойс запатентовал технологию изготовления монолитных кремниевых интегральных схем, в которых на небольшой площади можно было размещать десятки транзисторов. Эти схемы позже стали называться схемами с малой степенью интеграции (Small Scale Integrated circuits - SSI). А уже в конце 60-х годов интегральные схемы стали применяться в компьютерах.

Логические схемы ЭВМ 3-го поколения уже полностью строились на малых интегральных схемах. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до единиц мегагерц. Снизились напряжения питания (единицы вольт) и потребляемая машиной мощность. Существенно повысились надежность и быстродействие ЭВМ.

В оперативных запоминающих устройствах использовались миниатюрнее ферритовые сердечники, ферритовые пластины и магнитные пленки с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве внешних запоминающих устройств широко стали использоваться дисковые накопители. Появились еще два уровня запоминающих устройств: сверхоперативные запоминающие устройства на триггерных регистрах, имеющие огромное быстродействие, но небольшую емкость (десятки чисел), и быстродействующая кэш-память.

Начиная с момента широкого использования интегральных схем в компьютерах, технологический прогресс в вычислительных машинах можно наблюдать, используя широко известный закон Мура. Один из основателей компании Intel Гордон Мур в 1965 году открыл закон, согласно которому количество транзисторов в одной микросхеме удваивается через каждые 1,5 года.

Ввиду существенного усложнения как аппаратной, так и логической структуры ЭВМ 3-го поколения часто стали называть системами.

Так, первыми ЭВМ этого поколения стали модели систем IBM (ряд моделей IBM 360) и PDP (PDP 1). В Советском Союзе в содружестве со странами Совета Экономической Взаимопомощи (Польша, Венгрия, Болгария, ГДР и др1.) стали выпускаться модели единой системы (ЕС) и системы малых (СМ) ЭВМ.

В вычислительных машинах третьего поколения значительное внимание уделяется уменьшению трудоемкости программирования, эффективности исполнения программ в машинах и улучшению общения оператора с машиной. Это обеспечивается мощными операционными системами, развитой системой автоматизации программирования, эффективными системами прерывания программ, режимами работы с разделением машинного времени, режимами работы в реальном времени, мультипрограммными режимами работы и новыми интерактивными режимами общения. Появилось и эффективное видеотерминальное устройство общения оператора с машиной - видеомонитор, или дисплей.

Большое внимание уделено повышению надежности и достоверности функционирования ЭВМ и облегчению их технического обслуживания. Достоверность и надежность обеспечиваются повсеместным использованием кодов с автоматическим обнаружением и исправлением ошибок (корректирующие коды Хеммин-га и циклические коды).

Модульная организация вычислительных машин и модульное построение их операционных систем создали широкие возможности для изменения конфигурации вычислительных систем. В связи с этим возникло новое понятие "архитектура" вычислительной системы, определяющее логическую организацию этой системы с точки зрения пользователя и программиста.

Четвертое поколение ЭВМ: 1980-1990-е годы

Революционным событием в развитии компьютерных технологий третьего поколения машин было создание больших и сверхбольших интегральных схем (Large Scale Integration - LSI и Very Large Scale Integration - VLSI), микропроцессора (1969 г.) и персонального компьютера. Начиная с 1980 года практически все ЭВМ стали создаваться на основе микропроцессоров. Самым востребованным компьютером стал персональный.

Логические интегральные схемы в компьютерах стали создаваться на основе униполярных полевых CMOS-транзисторов с непосредственными связями, работающими с меньшими амплитудами электрических напряжений (единицы вольт), потребляющими меньше мощности, нежели биполярные, и тем самым позволяющими реализовать более прогрессивные нанотехнологии (в те годы - масштаба единиц микрон).

Оперативная память стала строиться не на ферритовых сердечниках, а также на интегральных CMOS-транзисторных схемах, причем непосредственно запоминающим элементом в них служила паразитная емкость между электродами (затвором и истоком) этих транзисторов.

Первый персональный компьютер создали в апреле 1976 года два друга, Стив Джобе (1955 г. р.) - сотрудник фирмы Atari, и Стефан Возняк (1950 г. р.), работавший на фирме Hewlett-Packard. На базе интегрального 8-битного контроллера жестко запаянной схемы популярной электронной игры, работая вечерами в автомобильном гараже, они сделали простенький программируемый на языке Бейсик игровой компьютер "Apple", имевший бешеный успех. В начале 1977 года была зарегистрирована Apple Сотр., и началось производство первого в мире персонального компьютера Apple.

Пятое поколение ЭВМ: 1990-2010-е годы

Кратко основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом:

Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.

Компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

Шестое и последующие поколения ЭВМ: 2011 и далее...

Электронные и оптоэлектронные многоядерные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем, распознающие сложные образы.

ТОЭЭ история вычислительной техники ИСиТК РиЭКТ ВСТ КС

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира