Доклад "История развития вычислительной техники"

История развития вычислительной техники

Первые ЭВМ появились в середине прошлого века. По меркам мировой истории срок невелик, однако за столь короткий период ЭВМ превратились из пугающего «монстра» подвластного только специалистам в рабочий инструмент подавляющего большинства из нас.

Первые попытки создать вычислительную машину были предприняты человечеством в 17-м веке. В 1642 г. девятнадцатилетний французский математик Блез Паскаль сконструировал первую в мире механическую счетную машину, известную как «суммирующая машина Паскаля» («Паскулина»). В 1694 г. немецкий математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц разработал механическую счетную машину, которая выполняла не только сложение и вычитание, но и умножение, деление и извлечение квадратного корня. Однако эти устройства не предполагали автоматического или автоматизированного варианта работы. Идея использования программного управления для построения устройства, автоматически выполняющего арифметические вычисления, была впервые высказана английским математиком Чарльзом Бэббиджем в 1830 г. Программа записывалась на перфокартах. Перфокарточный метод управления работой механических машин связан с именем французского изобретателя Жозефа Мари Жаккара. В 1804 г. Жаккар создал ткацкий станок, для управления которым применялись перфокарты, соединенные друг с другом в виде ленты. Чарльз Бэббидж использовал идею Жаккара при разработке устройства, которое он назвал «Аналитической машиной». Бэббидж пытался создать машину, предназначенную не только для решения какой-то одной конкретной вычислительной задачи, а как универсальное средство решения широкого класса подобных задач. По существу он задумал и спроектировал универсальный программируемый компьютер. Вычисления и запоминание результатов в Аналитической машине предполагалось производить с помощью валов и шестерней. Однако требуемая для создания машины точность обработки намного превосходила возможности того времени, поэтому машина так и не была построена. Многое из того, что известно об Аналитической машине, дошло до нас благодаря работам одной из современниц Ч. Бэббиджа – математика Огасты Ады Байрон (графини Лавлейс), дочери поэта лорда Байрона. Аду Лавлейс часто называют первым в мире программистом. Сумев понять и оценить значение изобретения Ч. Бэббиджа, она теоретически разработала некоторые приемы управления последовательностью вычислений, которые используются в программировании и по сей день (например, циклические конструкции).

Идеи Ч. Бэббиджа были впервые реализованы Германом Холлеритом (США), который в 1890 году использовал свою электромеханическую счетную машину (табулятор) для обработки результатов переписи населения в США. Табулятор получил настолько широкое признание, что для удовлетворения спроса на него Г. Холлериту пришлось основать собственную фирму, превратившуюся позже в знаменитую корпорацию IBM (International Business Machines). В счетно-аналитической машине Г. Холлерита уже использовалось электричество, обработка данных проводилась с помощью перфокарт, однако сфера применения разработанного им устройства была ограничена решением простой задачи – составлением  таблиц. Более сложными вычислениями перфокарты управлять не могли.

Первая электронная счетная машина была разработана американским ученым Ваннером Бушем в 1930 г. и получила название  «дифференциальный анализатор». Это был аналоговый компьютер, принцип действия которого основан на измерении непрерывных физических величин. Машина В. Буша оказалась способной быстро решать сложные математические задачи. Модель дифференциального анализатора, построенная в 1942 г., весила 200 тонн!

Один из первых программируемых компьютеров был создан немецким инженером Конрадом Цузе в конце 30-х – начале 40-х годов. Его машина управлялась при помощи команд, записанных на перфоленту, которая была изготовлена из бракованной  кинопленки. В качестве элементной базы использовались электромеханические реле, вычисления проводились в двоичной системе счисления.

Следующим шагом в развитии вычислительной техники стало появление цифрового компьютера «Марк-1», изготовленного в 1944 г. профессором Гарвардского университета Говардом Айкеном с группой инженеров фирмы IBM. Это была электромеханическая, программно-управляемая вычислительная машина весом 5 тонн и стоимостью 500 тыс. долларов. Машина управлялась при помощи команд, записанных на бумажную перфоленту, в качестве элементной базы использовались электромеханические реле (машина имела более 750 тыс. деталей). Она могла перемножить два 23-разрядных числа за 3 сек., легко настраивалась на решение разнообразных задач оборонного характера.

Три технических новшества – изобретение  электронного переключателя, цифровое кодирование информации и создание устройств хранения информации – сделали возможным появление цифровой электронной вычислительной машины.

Первая «полностью электронная» цифровая вычислительная машина ENIAC (аббревиатура от Electronic Numerical Integrator and Computer – электронный цифровой интегратор и вычислитель) была создана сотрудниками Высшего технического училища Пенсильванского университета Джоном Мочли и Преспером Экертом по заказу военного ведомства США (рис. 1). Машина оперировала десятичными, а не двоичными числами, однако вместо электромеханических реле в ней использовались электронные лампы, что позволило увеличить ее быстродействие (сложение 5 тыс. десятиразрядных чисел выполнялось за 1 секунду).

В 1949 г. в Кембриджском университете (Англия) была изготовлена машина EDSAC (аббревиатура от Electronic Storage Automatic Computer – электронный автоматический вычислитель с памятью на линиях задержки). В 1951 г. Дж. Мочли и Пр. Экерт создали машину UNIVAC (Universal Automatic Computer – универсальный автоматический компьютер) для Национального бюро переписи США. UNIVAC стал первым серийным компьютером, в котором вместо перфокарт и перфолент использовалась магнитная лента.

В 1949 – 1951 гг. под руководством академика С.А. Лебедева была построена первая советская ЭВМ – МЭСМ (малая электронная счетная машина), а в 1952 – 1953 гг. в институте точной механики и счетной техники АН СССР появилась БЭСМ (быстродействующая электронная счетная машина), выполнявшая 8000 операций в секунду и являвшаяся в то время одной из самых быстродействующих ЭВМ в мире. Одну из первых ЭВМ в нашей стране построили в начале 50-х годов сотрудники Энергетического института АН СССР И.С. Брук, И.Я. Матюхин, М.А. Карцев. Первая промышленная ЭВМ «Стрела» была разработана научным коллективом под руководством Ю.Я. Базилевского. Большой вклад в развитие вычислительной техники внесли академики М.В. Келдыш, В.М. Глушков, В.С. Семенихин.

Эволюция ЭВМ

За время своего существования ЭВМ претерпели определенные изменения, которые связаны в большей степени с развитием технологии и средств производства. Все существовавшие ранее и существующие ныне ЭВМ принято делить на поколения, отражая тем самым наиболее общие черты, присущие моделям ЭВМ, имеющим относительно близкие характеристики. Одной из наиболее показательных характеристик, отражающей «родство» ЭВМ, т.е. их принадлежность к одному поколению, считают «элементную базу». Элементная база это набор электронных приборов, на основе которых конструируется и собирается та или иная модель ЭВМ.

Все перечисленные в исторической справке ЭВМ относятся к первому поколению. Основой элементной базы для их создания послужили электровакуумные приборы (электронные лампы). Характерная черта ЭВМ первого поколения – огромные физические размеры и большая потребляемая мощность. Например, ЭВМ ENIAC содержала около 18000 электронных ламп и потребляла 150 кВт/ч электроэнергии. Быстродействие (скорость выполнения операций) ЭВМ первого поколения измерялось тысячами операций в секунду. Надежность ЭВМ первого поколения была относительно невысока.

В 1948 г. трое американских ученых – сотрудники компании Bell Telephone Laboratories – Джон Бардин, Уолтер Браттэйн и Уильям Шокли изобрели транзисторы – миниатюрные, по сравнению с электронной лампой, полупроводниковые приборы. За свое изобретение они получили в 1956 г. Нобелевскую премию по физике. Преимущества транзисторов заключались не только в относительно малых размерах, но и в значительно меньшем потреблении тока. Разработка технологии серийного производства полупроводниковых приборов привела к появлению в середине десятилетия ЭВМ второго поколения, построенных на полупроводниковой элементной базе. Переход к новой элементной базе позволил резко уменьшить потребляемую мощность, увеличить быстродействие и надежность ЭВМ. Примером ЭВМ второго поколения являются IBM 1401 и NCR 304.

В 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами (ИС), или чипами. Первая интегральная схема содержала только 6 транзисторов. Развитие этого направления в электронике привело к появлению в 1964 г. третьего поколения ЭВМ. Одними из наиболее ярких представителей этого поколения являются ЭВМ IBM s/360, s/370 и ICL 1900. Семейство программно совместимых ЭВМ IBM s/360, s/370 более известно в нашей стране по своим функциональным аналогам – ЕС ЭВМ ряд 1 и ряд 2. В структуру этих ЭВМ введены информационные каналы сопряжения, осуществляющие обмен информации между внешними устройствами (ВУ) и памятью ЭВМ. В 1954 г. фирма IBM подала заявку на изобретение «канала» ввода-вывода, специализированного процессора, в котором реализованы средства пересылки данных и схемы управления операциями ввода-вывода. При этом снимается часть вычислительной нагрузки с центрального процессора, существенно повышается быстродействие ЭВМ.

Другими представителями третьего поколения ЭВМ являются мини ЭВМ, например IBM 3081, Fujitsu M 380. В нашей стране это направление известно по семейству малых ЭВМ (СМ ЭВМ), которые программно совместимы с рядом ЭВМ PDP американской корпорации DEC. При построении этого ряда ЭВМ использовались интегральные микросхемы не только малой, но и средней, и в последующем, большой степени интеграции.

В этот период в области вычислительной техники появляются отдельные разработки, связанные с частичным отходом от классических принципов Джона фон Неймана. Примером такого варианта является разработка фирмой IBM концепции прерывания. Суть предложенного новшества заключается в том, что выполнение программы в процессоре останавливается при получении специального сигнала от устройства ввода-вывода (УВВ) и процессор переключается на работу с этим устройством. По окончании обработки операции ввода-вывода, процессор возвращается к выполнению программы.

В это же время разрабатываются концепции принципиально новых вычислительных машин, в основе которых лежит параллельная и конвейерная обработка информации на нескольких процессорах. Примером таких ЭВМ, в которых не в полной мере соблюдались принципы фон Неймана, могут служить потоковые ЭВМ, в которых управление вычислительным процессом осуществляется потоком обрабатываемых данных.

Предпосылкой появления четвертого поколения ЭВМ стало создание фирмой Intel (INTegrated ELectronics) первого микропроцессора, – программируемого логического устройства, изготовленного по технологии сверхбольшой интегральной схемы (СБИС), который был представлен на рынке в 1971 г. под маркой I4004 (см. рис. 2-3). Автором микропроцессора Intel-4004 – однокристальной схемы, содержащей все основные компоненты центрального процессора, являлся Эдвард Хофф. Вслед за появлением первого микропроцессора Джин Амдал в 1975 г. разработал компьютер четвертого поколения на больших интегральных схемах (БИС) – AMDAL-470 V/6. Современные персональные ЭВМ, такие как IBM PC фирмы IBM, Macintosh фирмы Apple также относятся к четвертому поколению.

Для ЭВМ четвертого поколения характерно использование так называемых модульных конструкций. Под модулем понимается любое устройство ЭВМ, способное функционировать самостоятельно, имеющее собственные цепи управления. Повышения производительности достигают разбиением программ на отдельные независимые части и параллельной обработкой этих частей одновременно на нескольких процессорах. Отход от классических принципов фон Неймана в некоторых семействах ЭВМ становится более существенным. Появляется концепция распределенной вычислительной среды, в которой нельзя выделить «одинокую» ЭВМ, монопольно выполняющую одну программу.

В 1979 г. в Японии была разработана программа создания ЭВМ пятого поколения. На сегодняшний день нет данных о реально существующих образцах ЭВМ пятого поколения, однако наметились некоторые пути решения проблемы создания компьютера будущего – с более высокой производительностью и некоторыми признаками искусственного интеллекта, например с возможностью самообучения. Разработки ведутся во многих направлениях, наиболее успешными и быстроразвивающимися из которых являются нейрокомпьютеры, квантовые и оптические компьютеры.