История вычислительной техники 6

Ручной период до компьютерной эпохи



Ручной период начался на заре человеческой цивилизации. Фиксация результатов счета у разных народов на разных континентах производилась разными способами: пальцевый счет, нанесение засечек, счетные палочки, узелки и т.д. Наконец, появление приборов, использующих вычисление по разрядам, как бы предполагали наличие некоторой позиционной системы счисления, десятичной, пятеричной, троичной и т.д. К таким приборам относятся абак, русские, японские, китайские счеты. 

Историю цифровых устройств начать следует со счетов. Подобный инструмент был известен у всех народов. Древнегреческий абак (доска или «саламинская доска» по имени острова Саламин в Эгейском море) представлял собой посыпанную морским песком дощечку. На песке проходили бороздки, на которых камешками обозначались числа. Одна бороздка соответствовала единицам, другая - десяткам и т.д. Если в какой-то бороздке при счете набиралось более 10 камешков, их снимали и добавляли один камушек в следующем разряде. Римляне усовершенствовали абак, перейдя от деревянных досок, пеcка и камешков к мраморным доскам с выточенными желобками и мраморными шариками. Китайские счеты суан – пан состояли из деревянной рамки, разделенной на верхние и нижние секции. Палочки соотносятся с колонками, а бусинки – с числами. У китайцев в основе счета лежала не десятка, а пятерка.

Суан - пан разделены на две части: в нижней части на каждом ряду располагаются по 5 косточек, в верхней части – по 2. Таким образом, для того, чтобы выставить на этих счетах число 6, ставили сначала косточку, соответствующую пятерке, а затем добавляли одну косточку в разряд единиц. 

У японцев это же устройство для счета носило название серобян. 

На Руси долгое время считали по косточкам, раскладываемым в кучки. Примерно с 15 века получил распространение «дощатый счет», завезенный, видимо, западными купцами с ворванью и текстилем. «Дощатый счет» почти не отличался от обычных счетов и представлял собой рамку с укрепленными горизонтальными веревочками, на которые были нанизаны просверленные сливовые или вишневые косточки. 

В 9 веке индийские ученые сделали одно из величайших открытий в математике. Они изобрели позиционную систему счисления, которой теперь пользуется весь мир. 

При записи числа, в котором отсутствует какой- либо разряд (например, 110 или 16004), индийцы вместо названия цифры говорили слово «пусто». При записи на месте «пустого» разряда ставили точку, а позднее рисовали кружок. Такой кружок называется «сунья». 

Арабские математики перевели это слово по смыслу на свой язык – они говорили «сифр». Современное слово «нуль» происходит от латинского. 

В конце 15 – начале 16 века Леонардо да Винчи создал 13- разрядное суммирующее устройство с десятизубными кольцами. Основу машины по описанию составляли стержни, на которые крепились два зубчатых колеса, большее с одной стороны стержня, а меньшее – с другой. Эти стержни должны были располагаться таким образом, чтобы меньшее колесо на одном стержне входило в зацепление с большим колесом на другом стержне. При этом меньшее колесо второго стержня сцеплялось с большим колесом третьего и т.д. Десять оборотов первого колеса, по замыслу автора, должны были приводить к одному полному обороту второго, а десять оборотов второго - к полному обороту третьего и т.д. Вся система, состоящая из 13 стержней с зубчатыми колесами должна была, приводиться в движение набором грузов. 

 

Механический этап



Развитие механики в 17 веке стало предпосылкой вычислительных устройств и приборов, использующих механический принцип вычислений, обеспечивающий перенос старшего разряда. Использование таких машин способствовало «автоматизации умственного труда».

Увеличение во второй половине 19 века вычислительных работ в целом ряде областей человеческой деятельности выдвинуло настоятельную потребность в ВТ и повышение требований к ней. 

В этот период английский математик Чарльз Бэббидж выдвинул идею создания программно-упраляемой счетной машины, имеющей арифметическое устройство, устройство управления, ввода и печати.

Первая спроектированная Беббиджем машина, Разностная машина, работала на паровом двигателе. Работающая модель была шестицифровым калькулятором, способным производить вычисления и печатать цифровые таблицы.

Главным достижением этой эпохи можно считать изобретение арифмометра ученым, по имени Однер. Главная особенность детища Однера заключается в применении зубчатых колес с переменным числом зубцов вместо ступенчатых валиков.  Оно проще валика конструктивно и имеет меньшие размеры. 

Первоначально появление в этот период ЭВМ не очень повлияло на выпуск арифмометров, прежде всего из-за различия в назначении, а также в стоимости и распространенности. Однако, с 60 годов в массовое использование все активнее проникают электронные клавишные вычислительные машины, выпускаемые вначале на лампах, а с 1964 г. на транзисторах. Лидерство в этом направлении сразу же захватила Япония, которая отличалась миниатюризацией электронной техники, включая ВТ. 





Электромеханический этап





Электромеханический этап развития ВТ явился наименее продолжительным и охватывает около 60 лет – от первого табулятора Г. Холлерита до первой ЭВМ ENIAK (1945). Предпосылками создания проектов этого типа явились как необходимость проведения массовых расчетов, так и развитие прикладной электротехники. Классическим типом средств электромеханического этапа был счетно-аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации на перфокарточных носителях. 

Значение работ Холлерита для развития ВТ определяется двумя факторами. Во-первых, он стал основоположником нового направления в ВТ – счетно-перфорационного с соответствующим им оборудованием для широкого круга экономических и научно-технических расчетов. Это направление привело к созданию машиносчетных станций, послуживших прообразом современных вычислительных центров. Во-вторых, даже в наше время использование большого числа разнообразных устройств ввода/вывода информации не отменило полностью использование перфокарточной технологии. 

Заключительный период электромеханического этапа развития вычислительной техники характеризуется созданием целого ряда сложных релейных и релейно-механических систем с программным управлением, характеризующихся алгоритмической универсальностью и способных выполнять сложные научно-технические вычисления в автоматическом режиме со скоростями, на порядок превышающими скорость работы арифмометров с электропроводом. Эти аппараты можно рассматривать в качестве прямых предшественников универсальных ЭВМ. 



I поколение (до 1955 г.) 

Все ЭВМ I-го поколения были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными - лампы приходилось часто менять. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Притом для каждой машины использовался свой язык программирования. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства, оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок.

Эти неудобства начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров

. Основные компьютеры первого поколения:

  ·1946г. ЭНИАК

В 1946 г. американские инженер-электронщик Дж. П. Эккерт и физик Дж. У. Моучли в Пенсильванском университете сконструировали, по заказу военного ведомства США, первую электронно-вычислительную машину - “Эниак” (Electronic Numerical Integrator and Computer). Которая предназначалась для решения задач баллистики. Она работала в тысячу раз быстрее, чем "Марк-1", выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений многоразрядных чисел. Размеры: 30 м. в длину, объём - 85 м3., вес - 30 тонн. Использовалось около 20000 электронных ламп и 1500 реле. Мощность ее была до 150 кВт. 

· 1949г. ЭДСАК.

Первая машина с хранимой программой - ”Эдсак” - была создана в Кембриджском университете (Англия) в 1949 г. Она имела запоминающее устройство на 512 ртутных линиях задержки. Время выполнения сложения было 0,07 мс, умножения - 8,5 мс.

· 1951г. МЭСМ 

В 1948г. году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ – Малой электронной счетно-решающей машины (МЭМС). В 1951г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20­разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах.

· 1951г. UNIVAC-1. (Англия)

В 1951 г. была создана машина “Юнивак”(UNIVAC) - первый серийный компьютер с хранимой программой. В этой машине впервые была использована магнитная лента для записи и хранения информации.

· 1952-1953г. БЭСМ-2

Вводится в эксплуатацию БЭСМ-2 (большая электронная счетная машина) с быстродействием около 10 тыс. операций в секунду над 39-разрядными двоичными числами. Оперативная память на электронно-акустических линиях задержки - 1024 слова, затем на электронно-лучевых трубках и позже на ферритовых сердечниках. ВЗУ состояло из двух магнитных барабанов и магнитной ленты емкостью свыше 100 тыс. слов.

II поколение (1958-1964)

В 1958 г. в ЭВМ были применены полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли, они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работал с большей скоростью.

Во II-ом поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты ("БЭСМ-6", "Минск-2","Урал-14") и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски. 

В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей.

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.



III поколение (1964-1972)

В 1960 г. появились первые интегральные системы (ИС), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. ИС - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм2. 1 ИС способна заменить десятки тысяч транзисторов. 1 кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный “Эниак”. А компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду.



В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.

Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами. 

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина. 

Примеры машин третьего поколения — семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов. 

IV поколение (с 1972 г. по настоящее время)

Четвёртое поколение — это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года. 

Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 ИС. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. В 1980 г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма (0,635 см2.). БИСы применялись уже в таких компьютерах, как “Иллиак”, ”Эльбрус”, ”Макинтош ”. Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. Емкость ОЗУ возросла до 500 млн. двоичных разрядов. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов.

C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Ёмкость оперативной памяти порядка 1 - 64 Мбайт. 

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) — ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров, создав первые персональные компьютеры- IBM PC.

Какими должны быть ЭВМ V поколения.

Сейчас ведутся интенсивные разработки ЭВМ V поколения. Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография). 

Ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработки всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров - устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволит общаться с ЭВМ всем пользователям, даже тем, кто не обладает специальных знаний в этой области. ЭВМ будет помощником человеку во всех областях. 



Перспективы развития вычислительной техники

Выше мы рассмотрели историю и современное состояние компьютерной техники. Уже сейчас вычислительная техника достигла просто потрясающих высот. Так в 2002 году для Института наук о земле в городе Йокогама (Япония) корпорацией NEC был создан наимощнейший на сегодняшний день суперкомпьютер Eerth Simulator. Производительность новой машины, определенная при помощи стандартных тестов Linpack, составляет 35,6 TELOPS(триллионов операций с плавающей запятой в секунду). Если сопоставить полученные результаты с показателями, приведенными в перечне Top 500 (рейтинг 500 наиболее мощных компьютеров мира), становится ясно, что Earth Simulator работает быстрее, чем 18 лучших по предыдущему рейтингу, машин вместе взятых.

Каковы же перспективы совершенствования персональных компьютеров, и что нас ожидает в дальнейшем в этой сфере?

Сотрудникам Белловских лабораторий удалось создать транзистор размером в 60 атомов! Они считают, что транзисторы ко дню своего шестидесятилетия (2007 год) по ряду параметров достигнут физических пределов. Так, размер транзистора должен стать чуть меньше 0,01 мкм (уже достигнут размер 0,05 мкм). Это означает, что на чипе площадью 10 кв. см можно будет разместить 20 000 000 транзисторов. 

Описывая бурно развивающуюся в настоящее время технологию производства пластиковых транзисторов, ученые приходят к достаточно логичному выводу, что сумма всех усовершенствований приведет к созданию «финального компьютера», более мощного, чем современные рабочие станции. Компьютер этот будет иметь размер почтовой марки и, соответственно, цену, не превышающую цены почтовой марки. 

Представим себе, наконец, гибкий экран телевизора или компьютерного монитора, который не разобьется, если швырнуть его на землю. А что можно сказать о пластинке величиной с обычную кредитную карточку, заполненной массой нужнейшей информации, включая ту, которая обычно и хранится в кредитной карточке, но выполненной из такого материала, что она никогда не потребует замены? 

В последнее время высказывались и мысли о том, что давно пора расстаться с электронами как основными действующими лицами на сценах микроэлектроники и обратиться к фотонам. Использование фотонов якобы позволит изготовить процессор компьютера размером с атом. О том, что наступление эпохи таких компьютеров уже не за горами говорит тот факт, что американским ученым удалось на доли секунды остановить фотонный пучок (луч света)... 




Список литературы



Глобальная сеть Интернет (www.ieee.org, www.techno.ru, www.computer-museum.ru, www.mailcom.com/besm6/, www.ibm.com и др.) 

2 . Шафрин Ю. Информационные технологии, М., 1998. 

3. ИНФОРМАТИКА, М., 1994. (энциклопедический словарь для начинающих) 

4. Алтухов Е.В., Рыбалко Л.А., Савченко В.С. Основы информатики и вычислительной техники, М., «Высшая школа», 1992. 

5. Бордовский Г.А., Исаев Ю.В., Морозов В.В. Информатика в понятиях и терминах, М., 1991. 









1