История развития средств вычислительной техники.

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Во все времена людям нужно было считать. До изобретения речи и письменности они считали на пальцах или делали насечки на костях. Примерно около 4000 лет назад, на заре человеческой цивилизации, были изобретены уже довольно сложные системы счисления, позволявшие осуществлять торговые сделки, рассчитывать астрономические циклы, проводить другие вычисления. Несколько тысячелетий спустя появились первые ручные вычислительные инструменты. А в наши дни с помощью вычислительных систем различной сложности решаются как элементарные, так и сложнейшие вычислительные задачи, причем не связанные с числами.

Компьютер – это еще один инструмент, еще одно устройство, придуманное для того, чтобы облегчить наш труд. Ведь он, по существу, обладает одним-единственным талантом – реагировать с молниеносной быстротой на импульсы электрического напряжения. Истинное величие заключено в человеке, его гении, который нашел способ преобразовывать разнообразную информацию, поступающую из реального мира, в последовательность нулей и единиц двоичного кода, т.е. записывать ее на математическом языке, идеально подходящем для электронных схем компьютера.

И все же, пожалуй, ни одна другая машина в истории не привнесла в наш мир столь быстрых и глубоких изменений. Благодаря компьютерам стали возможными такие знаменательные достижения, как посадка аппаратов на поверхность Луны и исследование планет Солнечной системы. Компьютеры создают тысячи удобств и услуг в нашей повседневной жизни. Они управляют различной аппаратурой в операционных, помогают детям учиться в школах, реализуют видеоэффекты для кино. Компьютеры взяли на себя функции пишущих машинок в редакциях газет и счетных аппаратов в банках. Они улучшают качество телевизионного изображения, управляют телефонными станциями и определяют цену покупок в кассе универсального магазина. Иными словами, они столь прочно вошли в современную жизнь, что обойтись без них практически невозможно.

В последние годы в мощности компьютеров и широте их применения достигнуты поистине головокружительные успехи. В основном это стало возможным благодаря появлению в начале 70-х гг. крошечного технологического чуда, называемого микропроцессором. На маленьком кремниевом кристалле - размером меньше, чем ноготок грудного младенца, - помещаются сотни тысяч электронных компонентов, превосходящих по своей производительности занимавших целые залы «динозавров», которые господствовали в мире компьютеров еще несколько лет назад.

Современному человеку сегодня трудно представить свою жизнь без электронно-вычислительных машин (ЭВМ). В настоящее время любой желающий, в соответствии со своими запросами, может собрать у себя на рабочем столе полноценный вычислительный центр. Так было, конечно, не всегда. Путь человечества к этому достижению был труден и тернист. Много веков назад люди хотели иметь приспособления, которые помогали бы им решать разнообразные задачи. Многие из этих задач решались последовательным выполнением некоторых рутинных действий, или, как принято говорить сейчас, выполнением алгоритма. С попытки изобрести устройство, способное реализовать простейшие из этих алгоритмов (сложение и вычитание чисел), все и началось.

Целью работы является изучение истории развития средств вычислительной техники.

Для решения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

- изучить этапы развития вычислительной техники;

- рассмотреть поколения ЭВМ;

- изучить перспективные направления развития вычислительной техники.

Объектом работы является история развития средств вычислительной техники.

Предметом работы являются перспективы развития вычислительной техники.

При подготовке работы были использованы такие информационные источники как специализированная профессиональная литература, материалы из СМИ, данные интернет-ресурсов. Применены такие методы и приемы исследования как анализ, синтез, сравнение.

1. Этапы развития вычислительной техники

В истории вычислительной техники выделяют четыре периода:

1. Домеханический (с древних времен до середины XVII в.).

2. Механический (с середины XVII в. до конца XIX в.).

3. Электромеханический (с конца XIX в. до 40-х гг. XX в.).

4. Электронный (с 40-х гг. XX в. по настоящее время).

1.1. Домеханический период

Понятие числа возникло задолго до возникновения письменности. Люди учились считать в течение множества веков, обогащая и передавая из поколения в поколение этот опыт [7, с. 45].

С древнейших времен перед людьми стояли задачи, которые требовали всё возрастающих объёмов вычислений. Со временем большая часть из них находило решения. Ещё в античные времена некоторые области математики были настолько развиты, что образованные люди того времени по уровню знаний вряд ли уступали нынешним выпускникам школ.

Возникновение собственности на землю требовало определения методов вычисления площади участков, это привело к появлению геометрии. Общеизвестны достижения Пифагора, Евклида и других древнегреческих учёных в данном направлении [1, с. 117].

Формирование торговли также ставило всё новые задачи. Помимо учёта денежных сумм и товаров, возникали и более сложные проблемы. Купцам приходилось предпринимать всё более дальние путешествия, а для этого требовались средства навигации [5, с. 129].

В древности астрономы решали и данные задачи. Всё в конечном итоге сводилось к расчётам, и чем точнее они были, тем успешнее решались текущие задачи. Также было нужно управлять запасами урожая, осуществлять торговые сделки, проводить землемерные работы.

Вычислительные способности большей части людей весьма ограничены. Даже сложить в уме стоимость нескольких мелких покупок и посчитать сумму сдачи не так уж просто, и тем более о расчёте орбиты планеты или координат звезд и говорить не приходится. Поэтому наряду с развитием теории учёные работали и над проблемой автоматизации вычислений. Но тут развитие шло гораздо медленнее [5, с. 131].

Для вычислений использовались различные средства, которые имели разные возможности и по-разному назывались. Тут имеется своеобразная классификация [7, с. 47]:

1) примитивные средства;

2) первые приспособления;

3) первые приборы.

Примитивные средства. Древнейшим счётным инструментом, который сама природа предоставила в распоряжение людей, была их собственная рука – великолепный естественный компьютер. Она обладает немаловажными преимуществами, которыми современные инженеры стремятся наделить разрабатываемые счётные устройства [1, с. 119].

Чтобы сделать процесс счёта более удобным, люди начали использовать вместо пальцев небольшие камни. Они складывали из камней пирамиду и определяли, сколько в ней камней, но если количество велико, то посчитать число камней на глаз трудно.

Различные народы вместо камней использовали различные приспособления – бобы, кости, ракушки.

Некоторые народы – индийцы, китайцы, перуанцы, персы – использовали для представления чисел и счёта ремни или веревки с узелками. Американские индейцы называли счётные веревки куиру, и в перуанских городах до вторжения в Южную Америку европейцев городской казначей именовался куиру комоуокуна, т.е. чиновник узелков.

Первые приспособления. Следующий этап в эволюции вычислительных устройств связывался со становлением государств Средиземноморья. Усиление торговых отношений между ними привело к созданию нового инструмента, известного практически у всех народов [1, с. 121].

Происхождение термина «абак» не установлено. Большая часть историков полагают, что это слово греческое и буквально означает «пыль». Первоначально на специальной доске в определённом порядке раскладывали однородные предметы (ракушки, камешки, бобы, орехи и т. д.) и пересчитывали их. Для того, чтобы они не скатывались, доска покрывалась слоем пыли или песка. Поэтому абак означает дощечку, покрытую слоем пыли [7, с. 48].

На рубеже XVI–XVII вв. появляется русский абак – счёты. Долгое время считалось, что русские счёты ведут свое происхождение от китайского суаньпаня. Лишь в начале 60-х гг. XX столетия ленинградский учёный Спасский И. Г. убедительно доказал русское происхождение данного счётного прибора. Доказательством служили такие аргументы:

1) у него горизонтальное расположение спиц с косточками;

2) для представления чисел использована десятичная (а не пятеричная) система счисления.

Первые приборы. После изобретения абака многие естествоиспытатели и изобретатели пытались придумать приспособления, которые способны упростить вычислительный процесс. Абак удобно использовать для выполнения операций вычитания и сложения. Деление и умножение выполнять при помощи абака гораздо сложнее [5, с. 133].

Революцию в области механизации деления и умножения совершил шотландский математик лорд Джон Непер. Он известен двумя изобретениями.

1. Первое изобретение – в 1617 г. Дж. Непер предложил инструмент, получивший название «счётные палочки Непера». Они выполнялись в виде прямоугольных брусков, разделённых на десять квадратов. Каждый квадрат, в свою очередь, кроме самого верхнего, делился по диагонали на две части, в каждой из которых в определённом порядке записывались числа.

2. Второе изобретение – изобретение логарифмов, о чем сообщалось в работе «Описание удивительной таблицы логарифмов», опубликованной в 1614 году [5, с. 135].

Логарифмическая шкала. Наиболее удачной была идея профессора астрономии Грэшемского колледжа Э. Гюнтера. Он построил логарифмическую шкалу, которая использовалась вместе с двумя циркулями-измерителями. Эта шкала («шкала Гюнтера») представляла собой прямолинейный отрезок, на котором откладывались логарифмы тригонометрических величин или чисел. (Несколько таких шкал наносились на деревянную или медную пластинку параллельно). Циркули-измерители нужны были для сложения или вычитания отрезков вдоль линий шкалы, что в соответствии со свойствами логарифмов позволяло находить частное или произведение [4, с. 33].

Таблицы Непера, расчёт которых требовал очень много времени, были позже «встроены» в удобное устройство, чрезвычайно ускоряющее процесс вычисления, – логарифмическую линейку. Она была изобретена в конце 20-х гг. XVII в. [14, с. 53]

1.2. Механический период

Настоящая потребность в автоматическом вычислении появилась в средние века в связи с резко выросшими в данный период торговыми операциями и океаническим судоходством. Торговля потребовала больших денежных расчётов, а судоходство – надёжных навигационных таблиц.

С древних времен человечество пыталось понять окружающий мир и использовать собственные знания для защиты от всевозможных бедствий. Заметили, к примеру, что отливы и приливы связаны с разными положениями Луны, и появился вопрос: «А можно ли построить математический закон изменения положения Луны и, используя его, прогнозировать приливы». Учёные составляли большие таблицы, где фиксировали изменение лунных положений, которые использовались для проверки правильности разных предлагаемых формул движения спутника Земли. Данная проверка опиралась на огромное число арифметических вычислений, требовавших от исполнителя аккуратности и терпения. Для ускорения и облегчения данной работы стали разрабатывать вычислительные устройства. Так появились разные механизмы – первые суммирующие машины и арифмометры [14, с. 54].

В течение почти 500 лет цифровая вычислительная техника сводилась к простым устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически всех изобретённых за пять столетий устройств было зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию 10 цифр десятичной системы счисления [4, с. 34].

Машина Леонардо да Винчи

Среди двухтомного собрания рукописей итальянского учёного Леонардо да Винчи, известных как «Codex Madrid» и посвященных механике, уже в наше время были обнаружены чертежи и описание 13-разрядного суммирующего устройства (рис. 1). Похожие рисунки также были найдены и в рукописях «Codex Atlanticus». Основу машины по описанию составляют стержни, на которые крепится два зубчатых колеса, большее с одной стороны стержня, а меньшее – с другой [12, с. 37].

Рисунок 1 - Машина Леонардо да Винчи

Данные 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. п.

Десять оборотов первого колеса, по замыслу ученого, должны были приводить к одному полному обороту второго, а десять оборотов второго – к одному обороту третьего и т.д. Вся система, состоящая из 13 стержней с зубчатыми колесами, должна была приводиться в движение набором грузов.

В 1969 году по чертежам Леонардо да Винчи фирма IBM по производству компьютеров в целях рекламы построила работоспособную машину. Специалисты воспроизвели машину в металле и убедились в полной состоятельности идеи учёного [12, с. 38].

Машина В. Шиккарда

Однако потребность в механизации счёта была настолько малой, что лишь через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи немецкий учёный В. Шиккард предложил своё решение данной задачи [13, с. 73].

В. Шиккард разработал счётную машину для умножения и суммирования шестиразрядных десятичных чисел. Причиной, побудившей В. Шиккарда разработать данную машину, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Работа астронома в основном была связана с вычислениями. В. Шиккард решил оказать ему помощь в нелёгком труде. В своих письмах к И. Кеплеру в 1623 году Шиккард описывает проект суммирующей машины, которую он назвал «счётными часами» [15, с. 147].

Суммирующая машина Б. Паскаля

Первую машину, которая могла считать сама, создал французский учёный Б. Паскаль. Он задумал её ещё в детстве. Его отец работал сборщиком налогов и все вечера занимался подсчётами.

Сын видел, как отец уставал от данного занятия, и мечтал подарить отцу машину, которая бы облегчила его труд. В 1642 году Паскаль сконструировал первый механический вычислитель, позволяющий вычитать и складывать числа [15, с. 148].

Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение костяшек в абаковидных инструментах на вращательное движение оси (колеса). Таким образом, в его машине сложению чисел соответствовало сложение пропорциональных им углов.

Эта машина вошла в историю вычислительной техники под названием «Паскалина» (рис. 2). За время работы над устройством Паскаль сделал более 50 разных моделей данной машины, в которых он экспериментировал не только с материалами, но и с формой деталей машины. До наших дней сохранилось восемь его машин [13, с. 75].

Рисунок 2 - Паскалина: а – вид спереди; б – вид сзади

Счётная машина Г. В. Лейбница

Немецкий математик, философ, физик Г. В. Лейбниц в 1673 году создал «ступенчатый вычислитель» – счётную машину, позволяющую вычитать, складывать, делить, умножать, извлекать квадратные корни. Машина работала с 12-разрядными числами [12, с. 39].

К зубчатым колёсам Лейбниц добавил ступенчатый валик, позволяющий выполнять деление и умножение.

Машины Ч. Бэббиджа

Два новшества – программное (с помощью перфокарт) управление и технология вычислений при ручном счёте – явились базой для работ профессора Кембриджского университета Ч. Бэббиджа.

Из всех изобретателей прошлых столетий, внесших тот или иной вклад в развитие вычислительной техники, он ближе всего подошёл к созданию компьютера в современном его понимании [12, с. 41].

В начале 1820-х годов Ч. Бэббидж написал специальную работу, в которой показал, что полная автоматизация процесса создания математических таблиц гарантированно обеспечит точность данных, т. к. исключит все три источника порождения ошибок. Фактически вся остальная жизнь учёного была связана с воплощением этой идеи в жизнь [13, с. 77].

Наивысшим достижением Ч. Бэббиджа была разработка принципов, положенных в основу современного компьютера, за целое столетие до того, как появилась техническая возможность их реализации. Им были созданы две машины – разностная (1822 г.) и аналитическая (1830 г.).

1.3. Электромеханический период

В истории вычислительной техники данный период явился наименее продолжительным – с 1888 до 1945 г.

Вспомним, с какими объектами работали первые механические предшественники современного электронного компьютера [15, с. 151].

Числа представлялись:

- или в виде линейных перемещений реечных и цепных механизмов;

- или в виде угловых перемещений рычажных и зубчатых механизмов.

И в том и в другом случае это были перемещения, что в значительной степени сказывалось на скорости их работы и габаритах устройств. Только переход от регистрации перемещений к регистрации сигналов позволил серьезно уменьшить габариты и увеличить быстродействие. Однако на пути к данному достижению требовалось ввести ещё несколько важнейших понятий и принципов. К ним относят: двоичную систему счисления и математическую логику Дж. Буля.

Необходимость проведения массовых расчётов в разных областях и развитие электротехники привели к созданию электромеханической вычислительной техники. Помимо этого, были введены ещё очень важные понятия и принципы – двоичная система счисления и математическая логика Дж. Буля [15, с. 153].

Наиболее известным изобретением электромеханического периода является статистический табулятор, построенный американцем Г. Холлеритом для ускорения обработки результатов переписи населения, проводимой в США в 1890 году [13, с. 78].

Главными устройствами табулятора были:

- вычислительный механизм, в котором использовались реле;

- перфоратор;

- сортировальная машина.

Г. Холлерит стал «отцом-основателем» целого направления вычислительной техники – счётно-перфорационного. На базе созданных им устройств создавались целые машиносчетные станции для механизированной обработки информации, послужившие прообразом грядущих вычислительных центров [12, с. 43].

В 1924 году появилась всемирно известная компания International Business Machines Corp (IBM).

С точки зрения преодоления разных инженерных трудностей и применения целого ряда прогрессивных принципов (двоичная система счисления, программное управление, операции условного перехода и т. п.) такие машины, как Z-3 и «Марк-1», были выдающимися достижениями того времени. Однако вычислительные машины с таким быстродействием не могли стать основой для серьёзных изменений в области автоматизации вычислительных работ. Вычисления они выполняли крайне медленно, т. к. были основаны на медленно работающих элементах. Хотя время срабатывания реле и составляет 0,1 с, но в двоичной системе каждое действие требует во много раз больше тактов работы, чем в десятичной.

Только появление электронных вычислительных машин привело к постепенному закату эры электромеханических средств вычисления, развивавшихся вплоть до середины 50-х гг. XX века. Но успешно апробированные Г. Холлеритом источники ввода информации на перфокартах широко использовались в нескольких поколениях первых ЭВМ.

1.4. Электронный период

В течение механического, электромеханического и в начале электронного периода развития цифровая вычислительная техника оставалась областью техники, научные основы которой только закладывались [12, с. 45].

Предпосылки возникновения электронной вычислительной техники

1. Математические предпосылки:

- двоичная система счисления, которую Г. В. Лейбниц предложил использовать для организации вычислительных машин,

- алгебра логики, разработанная Дж. Булем.

2. Алгоритмические предпосылки – абстрактная машина Тьюринга, использованная для доказательства возможности машинной реализации любого алгоритма, имеющего решение.

3. Технические предпосылки – развитие электроники.

4. Теоретические предпосылки – результаты работ К. Шеннона, соединившего электронику и логику [15, с. 155].

Электронно-вычислительные машины появились, когда возникла острая необходимость в очень трудоёмких и точных расчётах, особенно в таких областях, как атомная физика, теория динамик полета и управления летательными аппаратами [13, с. 79].

В связи с переходом на электронные безынерционные элементы произошёл качественный скачок быстродействия. Работы, которые привели к созданию совершенно новой области техники – электроники, были начаты ещё в конце XIX в.

В 1884 году Т. Эдисон описал открытое им явление термоэлектронной эмиссии. В 1897 году немецкий физик Г. Браун изобрёл электронно-лучевую трубку. Триод – одна из самых популярных электронных ламп – был создан в 1906 году американцем Ли де Форстером. В 1918 году наш соотечественник М. Бонч-Бруевич изобрёл ламповый триггер, сыгравший впоследствии огромную роль в развитии вычислительной техники [13, с. 81].

К началу 40-х годов, т. е. ко времени возникновения первых автоматических вычислительных машин, электронные устройства получили уже серьезное распространение и развитие. Они широко применялись во многих областях техники, прежде всего радиотехники. Зарождались телевидение и радиолокация, развивалась электронная контрольно-измерительная техника [15, с. 157].

Казалось, что достигнутая скорость вычислений будет достаточной для всех и надолго. Но действительность очень быстро заставила искать новые пути убыстрения счёта. Вторая мировая война поставила человеческую жизнь (артиллериста, летчика и т. п.) в зависимость от скорости вычислений. Кто точнее и быстрее принимал решения (а именно для этого нужно было производить вычисления), тот и побеждал!

Именно данная дилемма заставила человечество изобрести электронно-вычислительные машины и тем самым вступить в новый век – век ЭВМ. Это не означает, что без войны век ЭВМ не наступил бы. Эта тенденция привела бы к созданию ЭВМ в любом случае. Война лишь обострила потребность в быстром счёте и тем самым интенсифицировала работы по созданию ЭВМ.

За решение данной проблемы взялись крупнейшие учёные этого времени. Среди них был Н. Винер – известный американский математик.

Он указал, как по наблюдению траектории полёта самолета до выстрела орудия можно определить положение его ствола в момент выстрела, при котором вероятность поражения будет максимальна [7, с. 73].

Способ, предложенный Н. Винером, требовал большого объёма вычислений, которые необходимо было сделать за те мгновения, пока самолёт приближается к цели, т.е. за 2-3 с. С такой задачей арифмометр не справится. Нужна была электроника!

Н. Винер сформировал ряд требований к вычислительным машинам:

1) они должны состоять из электронных ламп (чтобы обеспечить достаточное быстродействие);

2) должна использоваться более экономичная двоичная, а не десятичная система счисления;

3) машина сама должна корректировать свои действия, в ней необходимо выработать способность к самообучению.

С переходом на безынерционные электронные элементы в вычислительной технике наступил существенный прогресс. Вычислительные машины, построенные на электронных триггерных схемах, использующих вакуумные триоды, открыли новое направление в вычислительной технике, их стали называть «электронные вычислительные машины» [7, с. 75].

2. Поколения ЭВМ

2.1. Первое поколение ЭВМ (1945-1954 гг.)

С абсолютной точностью дату рождения компьютеров первого поколения назвать сложно. Появлению на свет ENIAC, признанного родоначальника всех компьютеров, предшествовали почти полтора десятилетия подготовки. Еще в 1939 г. Джон Атанасов и Клиффорд Берри продемонстрировали электронный компьютер – прототип ABC. В 1941 г. Конрад Цузе разработал механическое счетное устройство, которое тоже можно назвать компьютером [8, с. 35].

В 1943 г. началась расшифровка немецких радиограмм с использованием электронно-механического компьютера Colossus. В 1944 г. Говард Айкен разработал механическое устройство Mark I для ВМФ США. Собственно, ENIAC признать полноценным компьютером также сложно: он не имел такого непременного атрибута, как хранимая в памяти программа. Так уж случилось, что его непосредственный наследник, действительно работающий по хранимой в памяти программе, компьютер EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer), который был построен в 1949 г., опоздал. Его опередили разработки, сделанные в Манчестерском и Кембриджском университетах. В июне 1948 г. первая программа была выполнена на машине Manchester Small-Scale Experimental Machine (SSEM), прозванной «Манчестерским Бэби», а в 1949 г. была запущена в эксплуатацию EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), машина, созданная в математической лаборатории Кембриджского университета под руководством Мориса Уилкса. Показательно, что отечественные разработки на этом этапе велись независимо от зарубежных и примерно с такими же результатами, например, советские ученые построили под руководством С. А. Лебедева машину МЭСМ в 19501951 гг.

Хотя использование вакуумных ламп ознаменовало крупный шаг вперед в развитии вычислительной техники, «Колосс» все же был специализированной машиной, применение которой ограничивалось расшифровкой секретных кодов. Однако на другом берегу Атлантического океана, в Филадельфии, потребности военного времени способствовали появлению устройства, которое по принципам работы и применению было уже ближе к теоретической универсальной машине Тьюринга [8, с. 37].

В 1944 г. Говард Эйкен спроектировал вычислительную машину, которую назвали Mark-1 (рис. 3). Она работала на реле и оперировала с данными в десятичной форме. Из-за большого удельного веса механических частей эти машины были обречены. Нужно было искать новую, более технологичную элементную базу. И тогда вспомнили об изобретении Ли де Фореста (1873–1961), который в 1906 г. создал трехэлектродную вакуумную лампу, названную триодом. В силу своих функциональных свойств она стала наиболее естественной заменой реле.

Рисунок 3 - Mark 1 в музее Гарварда

В 1946 г. в США, в университете города Пенсильвания, была создана первая универсальная ЭВМ – ENIAC. ЭВМ ENIAC содержала 18 тыс. ламп, весила 27 т, занимала площадь около 200 м² и потребляла мощность 174 кВт. В ней все еще использовались десятичные операции, и программирование осуществлялось путем коммутации разъемов и установки переключателей (рис. 4) [10, с. 141].

С проектом ENIAC связано имя еще одной ключевой фигуры в истории вычислительной техники – математика Джона фон Неймана. Именно он впервые предложил записывать программу и ее данные в память машины так, чтобы их можно было при необходимости модифицировать в процессе работы. Этот ключевой принцип был использован в дальнейшем при создании существенно новой ЭВМ EDVAC (1951 г.). В этой машине уже применяется двоичная арифметика и используется оперативная память, построенная на ультразвуковых ртутных линиях задержки. Память могла хранить 1024 слова. Каждое слово состояло из 44 двоичных разрядов (рис. 5).

Рисунок 4 - ENIAC

Рисунок 5 - Джон фон Нейман на фоне компьютера EDVAC

Также невозможно с точностью установить, кто именно предложил хранить в общей памяти программы и данные. В неявной форме эта идея обнаруживается в работе Цузе, датируемой 1939 г.

В 1943 г. будущие авторы ENIAC Джон Мочли и Преспер Эккерт высказали ту же самую мысль на семинарах в Пенсильванском университете. Но широкую известность она получила благодаря публикации Джоном фон Нейманом отчета «First Draft of a Report on the EDVAC», датируемого июнем 1945 г. В этом труде в деталях изложена архитектура машины, к строительству которой еще не приступали, причем к авторству которой один из величайших математиков XX в. никакого отношения не имел. С тех пор и поныне практически все компьютеры строятся по «фон-неймановской» архитектуре [10, с. 143].

Сегодня имя Джона фон Неймана все чаще вспоминают в связи с существенным изъяном архитектуры этого типа. Единственный канал, связывающий процессор и память, служащий для выборки команд из памяти и для работы с данными, является ее узким местом. С годами эта проблема только обостряется, поскольку производительность процессоров растет намного быстрее, чем скорость работы памяти. Для преодоления этого недостатка традиционно используются различного рода технологии кэширования, а в самое последнее время с той же целью начали конструировать многоядерные процессоры. Но это не единственный дефект «фон-неймановской» архитектуры. Совмещение в памяти программ и данных позволяет неверно спроектированным программам разрушать другие программы или даже операционные системы.

Но в те годы была и альтернатива «фон-неймановской» архитектуре, которая называлась «гарвардской». Ее предложил Говард Айкен в своих машинах Mark III и Mark IV. Эта архитектура отличается тем, что данные и программы хранятся в разных частях памяти, каждая из которых имеет собственный канал к процессору.

Создатели Colossus независимо от Айкена также реализовали «гарвардскую» схему; в этом компьютере данные вводились в память, а программа считывалась со специально сконструированного устройства на базе перфолент. Об эффективности разделения данных и программ говорит следующий факт. Когда в 1990-х гг. при реставрации Colossus попытались моделировать его работу на ПК, оказалось, что при решении определенного класса задач это в общем-то примитивное устройство по производительности можно сравнить с процессором Intel 386. Сегодня по «гарвардской» схеме строятся различные микроконтроллеры, высокоскоростные DSP-процессоры.

Между тем Джон фон Нейман и его ближайшие соратники в конце 1946 г. перешли на работу в Институт перспективных исследований (Institute for Advanced Study, IAS), написали и опубликовали колоссальный по объему труд «Предварительные исследования по логическому проектированию электронных счетных инструментов».

Описанная архитектура получила название «принстонской», или IAS. Таким образом, было положено начало тому, что сегодня именуется Open Source. Если учесть, что компьютеры в ту пору строились из радиодеталей, то для многих университетов открывалась возможность создавать их собственными силами. По архитектуре IAS было построено почти два десятка машин; наиболее известны JOHNNIAC (корпорация Rand), ILLIAC I (Университет штата Иллинойс), MANIAC I (Национальная лаборатория в Лос-Аламосе). Строили такие машины в Швеции (BESK, Стокгольмский университет) и в Израиле (WEIZAC, Институт Вейцмана).

Архитектура систем первого поколения

В данный период формируется типовой набор структурных элементов, входящих в состав ЭВМ. К этому времени у разработчиков уже сложилось примерно одинаковое представление о том, из каких элементов должна состоять типичная ЭВМ [8, с. 39].

Структура ЭВМ или вычислительной системы (ВС) определяется ее назначением. В зависимости от этого вычислительные машины могут быть разделены на универсальные и специализированные.

Аппарат алгебры логики положен в основу анализа и проектирования логических схем большинства ЭВМ и ВС. Логические схемы состоят из наборов соответствующих им логических элементов, осуществляющих логические операции. Набор логических операций, осуществляемых элементами, должен быть функционально полным [8, с. 41].

Анализ логической схемы, т.е. выяснение того, какие двоичные (логические) сигналы появятся на выходах этой схемы после подачи определенных входных двоичных сигналов, сводится к представлению серии логических выражений и необходимых вычислений.

Практически все электронные логические элементы, применяемые в вычислительной технике первого поколения, были заимствованы из отечественных радиотехнических систем и их электронного оборудования. Исключение составляла лишь аппаратура запоминающих устройств, которая использовала специально разработанные для этого магнитные ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса.

Архитектура ЭВМ – логическая организация (структурно- функциональное построение) вычислительной машины, состав и на- значение ее функциональных систем и средств. Архитектура этих машин была основана на принципах кодирования и вычислений, что однозначно определяет сам вычислительный процесс обработки информации, процесс с целью обработки данных.

Вычислительные системы первых поколений построены на следующих принципах («фон неймановская» архитектура):

- вся информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы информации, называемые словами;

- разнотипные слова информации размещаются в одной и той же памяти и различаются по способу использования;

- слова информации размещаются в ячейках памяти машины и идентифицируются номерами ячеек, называемыми адресами слов;

- алгоритм решения любой задачи представляется в виде последовательности слов, называемых командами, которые определяют наименование операции и слова, участвующие в операции. Алгоритм, представленный в виде машинных команд, называется программой;

- выполнение операций обработки информации, однозначно предписанных алгоритмов, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой.

Независимо от характера их использования общая структура ЭВМ первого поколения состояла из следующих основных блоков (рис. 6, 7):

- устройство управления (УУ),

- арифметическое устройство (АУ),

- запоминающее устройство (ЗУ),

- внешние устройства (ВУ) - устройства ввода/вывода данных.

Основной частью первых ЭВМ для числовой обработки данных является процессор, состоящий из двух электронных устройств: арифметического устройства (АУ) и устройства управления (УУ), которое в своей работе руководствуется командами программы, читаемой из памяти долговременного запоминающего устройства (ДЗУ) [15, с. 217].

Рисунок 6 - Общая структурная схема ЭВМ первых поколений

Рисунок 7 - Обобщенная структура отечественной ЭВМ БЭСМ-1

Память состоит из множества ячеек, каждая из которых служит для хранения одного машинного слова (под словом понимается число или команда). Количество ячеек ДЗУ определяет ее основную характеристику – емкость памяти ДЗУ. За ячейками закреплены определенные номера, выполняющие роль адреса в ДЗУ для записи или чтения данных при работе ЭВМ [15, с. 219].

Команды из памяти в устройство УУ поступают непосредственно, а данными для обработки и результатами выполнения операции память ДЗУ может обмениваться с АУ (см. рис. 6, 7).

Для выполнения различных арифметических и логических операций, а также определенных операций, связанных с управлением ЭВМ, возникает необходимость хранить определенный код числа в течение некоторого времени, осуществлять его «сдвиг» влево или вправо, а также производить подсчет количества импульсов из генератора, выбирать заданные комбинации кодов и т.д. Такие виды операции в ЭВМ выполняются с помощью соответствующей архитектуры из электронных схем регистров.

Регистром называется устройство, которое может хранить цифровой код сколь угодно долгое время до прихода нового кода.

Таким образом, регистр является устройством запоминания и хранения информации. Если код числа имеет n разрядов, то регистр, предназначенный для его хранения, должен состоять из n одноразрядных запоминающих элементов (триггеров).

Устройства АУ в ЭВМ предназначены для выполнения арифметических и логических операций над числами и командами. В состав АУ ЭВМ первого поколения входит несколько отдельных узлов различного функционального назначения, основным из которых является сумматор «электронных» чисел.

2.2. Второе поколение ЭВМ (1955 – середина 1960-х гг.)

В 1948 году американскими учёными был создан полупроводниковый транзистор, который стал использоваться в качестве элементной базы ЭВМ. Линии задержки как элементы оперативной памяти сменила память на магнитных сердечниках. Это в конечном итоге привело к уменьшению габаритов, увеличению производительности и надёжности ЭВМ. В архитектуре ЭВМ появились индексные регистры и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей точкой. Были разработаны команды для вызова подпрограмм [15, с. 221].

Для машин данного поколения тем более актуальной становилась задача автоматизации программирования, т. к. рос разрыв между временем на разработку программ и непосредственно временем счёта. Второй этап развития вычислительной техники конца 1950-х - начала 1960-х годов характеризуется созданием развитых языков программирования (Фортран, Алгол, Кобол) и освоением процесса автоматизации управления потоком задач при помощи самой ЭВМ, т. е. разработкой операционных систем. Первые ОС автоматизировали работу пользователя по выполнению задания, а затем были созданы средства ввода нескольких заданий сразу (пакета заданий) и распределения между ними вычислительных ресурсов. Появился мультипрограммный режим обработки данных.

Если говорить в общих чертах о структурных изменениях машин данного поколения, то это, прежде всего, появление возможности совмещения операций ввода/вывода с вычислениями в центральном процессоре, увеличение объема оперативной и внешней памяти, использование алфавитно-цифровых устройств для ввода и вывода данных. «Открытый» режим использования машин первого поколения сменился «закрытым», при котором программист уже не допускался в машинный зал, а сдавал свою программу на алгоритмическом языке оператору ЭВМ, который и занимался ее дальнейшим пропуском на машине [15, с. 223].

Компьютеры данного времени становились более доступными, расширялась область их применения и вместе с задачами вычислительными возникали задачи, связанные с обработкой текстовой информации. Их решение стало возможным благодаря появлению команд, оперирующих символами. Тогда же, кстати, появился восьмиразрядный байт, байтовая структура оперативной памяти, более удобная для работы с текстами. Машины первого поколения имели гораздо большую разрядность, к примеру, в БЭСМ-1 было 39 разрядов.

Элементной базой данного поколения стали полупроводники. Транзисторы пришли на смену ненадёжным электронно-вакуумным лампам. Транзисторы значительно уменьшали компьютеры в размере и цене. При этом тепловыделение и потребление электроэнергии серьезно сократились, а скорость работы стала больше.

Если сравнивать машины первого и второго поколений, то на примере это выглядело так. Марк-1 (компьютер первого поколения) занимал огромный зал. Его высота 2,5 метра, длина 17 метров, стоимость около 500 тысяч долл. PDP-8 (ЭВМ второго поколения) размером с холодильник, стоимость около 20 тысяч долл. (рис. 8).

Рисунок 8 - Компьютер второго поколения PDP-8 корпорации DEC

Диод – пример самого простого полупроводника. Его принцип работы заключается в односторонней проводимости. Вместе с заменой ламп на транзисторы совершенствовалась и элементная база хранения информации. Для хранения информации стали применять не только перфоленты и перфокарты, но и магнитную ленту, что значительно ускорило ввод-вывод информации в машину. К началу 1960-х годов стали применяться накопители на магнитных дисках, а это ещё значительнее ускорило обработку информации [8, с. 45].

Предшествующие ламповые компьютеры нуждались в дополнительном оборудовании. В подвалах вычислительных центров находились средства электропитания кондиционирования воздуха.

С приходом второго поколения ЭВМ потребность в них заметно снизилась.

Архитектура систем второго поколения

ЭВМ и ВС второго поколения были разработаны в период 1950-60 гг. В качестве основных элементов применялись полупроводниковые диоды и транзисторы, а в качестве запоминающих устройств стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны – это далекие предки наших современных жестких дисков.

Основные вычислительные машины этого поколения: «РАЗДАН-2», «IВМ-7090», «Минск-22,-32», «Урал-14,-16», «БЭСМ-3,-4,-6», а также «М-20, -40, -50, -222», «НАИРИ» и др. Применение полупроводниковых элементов в электронных схемах ЭВМ привело к увеличению достоверности данных, производительности до 30 тыс. операций в секунду, и емкости оперативной памяти до 32 Кб.

Уменьшились габаритные размеры машин, вес и потребление электроэнергии. Основные достижения этой эпохи ЭВМ принадлежат к области программирования. Характерным для данного периода является то, что во втором поколении компьютеров появились первые операционные системы. Соответственно решаемым задачам расширялась и сфера применения самих ЭВМ в разных областях деятельности человека [8, с. 53].

2.3. Третье поколение ЭВМ (середина 1960-х – 1970-е гг.)

Смена поколений вновь была обусловлена обновлением элементной базы: вместо транзисторов в различных узлах ЭВМ стали использоваться интегральные микросхемы различной степени интеграции.

Первые микросхемы появились в 1958 г. Два инженера почти одновременно изобрели их, не зная друг о друге. Это Джек Килби и Роберт Нойс. Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была создана на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 г. Широкое применение интегральных схем началось лишь в начале 70-х гг. В компьютерах третьего поколения одна интегральная схема могла заменить до тысячи транзисторов и других базовых элементов. А каждый такой элемент мог заменять до нескольких десятков электронных ламп. Это давало огромную миниатюризацию и снижение себестоимости производства ЭВМ.

Микросхемы позволили разместить десятки элементов на пластине размером в несколько сантиметров. Это в свою очередь не только повысило производительность ЭВМ, но и снизило их габариты и стоимость. Для массового производства таких микросхем начали создавать отдельные производственные линии. Качество конечного продукта было достигнуто не сразу, а по мере накопления опыта и настройки технологического процесса.

Важно и то, что надежность компьютеров третьего поколения заметно повысилась и ненамного уступает сегодняшней техники.

Несмотря на то, что алфавитно-цифровые дисплеи появились еще во втором поколении машин, на третьем они окончательно закрепились и стали неотъемлемой частью компьютера. Память ЭВМ этого поколения значительно возросла. В качестве внешней памяти стали применять магнитные диски. Емкость таких накопителей измерялась миллионами байт. Это был существенный шаг по сравнению с перфокартами и магнитными лентами. Надежность таких накопителей не уступает внешней памяти на магнитных барабанах [8, с. 57].

Появились сравнительно недорогие и малогабаритные машины – мини-ЭВМ. Они активно использовались для управления различными технологическими производственными процессами в системах сбора и обработки информации. Первым мини-компьютером считают PDP-8 корпорации DEC. Эта машина создавалась для управления ядерным реактором. Но она стала популярна на частных производственных предприятиях и в высших учебных заведениях. Ее массовый выпуск начался в 1965 г. и к началу 70-х количество этих ЭВМ превысило 100 000 штук.

Увеличение мощности ЭВМ сделало возможным одновременное выполнение нескольких программ на одной ЭВМ. Для этого нужно было научиться координировать между собой одновременно выполняемые действия, для чего были расширены функции операционной системы. Одновременно с активными разработками в области аппаратных и архитектурных решений растет удельный вес разработок в области технологий программирования. В это время активно разрабатываются теоретические основы методов программирования, компиляции, баз данных, операционных систем и т.д.

Создаются пакеты прикладных программ для самых различных областей жизнедеятельности человека. Теперь уже становится непозволительной роскошью переписывать все программы с появлением каждого нового типа ЭВМ. Наблюдается тенденция к созданию семейств ЭВМ, т.е. машины становятся совместимы снизу вверх на программно-аппаратном уровне.

Первой из таких семейств были серия IBM System/360, разработка которой началась с 1964 г., и наш отечественный аналог этого компьютера – ЕС ЭВМ.

Более мощным становится программное обеспечение ЭВМ. Появляются первые текстовые редакторы. Но широкое распространение они так и не получают. Слишком дорого использовать мини-ЭВМ вместо печатной машинки. Появляются системы управления базами данных. Они начинают повсеместно использоваться коммерческими организациями. Некоторые приобретают компьютеры только ради создания и управления своими базами данных. Компьютеры третьего поколения перестали быть роскошью для предприятий [8, с. 58].

Первое и второе поколения машин использовали только военные, государственные ведомства и институты. Теперь они становятся доступными даже для небольших компаний. Средняя цена машины третьего поколения составляет 20-30 тыс. долл. и это было вполне под силу многим организациям. Появляются автоматизированные системы проектирования.

Возникает огромная потребность в прикладном программном обеспечении. Как следствие, каждое предприятие нанимает свой штат программистов, которые решают текущие задачи. Рынка программного обеспечения как такового еще нет. Многие ЭВМ третьего поколения, как и предыдущих поколений, не совместимы между собой аппаратно и программно.

2.4. Четвертое поколение ЭВМ (1970–1990-е гг.)

Очередная смена элементной базы привела к смене поколений. В 1970-е гг. активно ведутся работы по созданию больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), которые позволили разместить на одном кристалле десятки тысяч элементов. Это повлекло дальнейшее существенное снижение размеров и стоимости ЭВМ. Работа с программным обеспечением стала более дружественной, что повлекло за собой рост количества пользователей [8, с. 59].

Большая интегральная схема – усовершенствованный потомок простой интегральной схемы, которая являлась одним из основных элементов предыдущего поколения. В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

- малая интегральная схема (МИС) - до 100 элементов в кристалле;

- средняя интегральная схема (СИС) - до 1000 элементов в кристалле;

- большая интегральная схема (БИС) - до 10 тыс. элементов в кристалле;

- сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - более 10 тыс. элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) - до 1 млрд элементов в кристалле и гигабольшая интегральная схема (ГБИС) - более 1 млрд элементов в кристалле, сейчас названия «УБИС» и «ГБИС» практически не используются, и все микросхемы с числом элементов более 10 тыс. относят к классу СБИС.

В дальнейшем стали выпускаться программно-управляемые БИС. Функции такой схемы меняются в зависимости от программы, которая тоже напыляется на отдельном кристалле. Данная БИС состоит из операционной части и программы. Ввод программы в БИС, настраивает ее на определенный класс задач. Одна и та же интегральная схема может работать и как арифметическое устройство, и как управляющее устройство.

Применение БИС дало резкое улучшение основных показателей скорости работы и надежности. Такая высокая степень интеграции привела к уменьшению числа монтажных операций и уменьшила количество внешних соединений. Это очень способствовало уменьшению размеров, стоимости и повышению надежности.

Однако появление БИС привело и к появлению проблем. Одна из главных – это проблема теплоотвода. Чем выше степень интеграции схемы, тем выше тепловыделение. Требуется постоянное охлаждение, без которого интегральная схема перегреется и сгорит. Существуют также проблемы межсоединений элементов, контроля параметров. Большие интегральные схемы уже начали применять в третьем поколении, например в IBM System/360.

В принципе при такой степени интеграции элементов стало возможным попытаться создать функционально полную ЭВМ на одном кристалле. Соответствующие попытки были предприняты, хотя они и встречались в основном недоверчиво [8, с. 71].

Тем не менее в начале 70-х гг. фирмой Intel был выпущен микропроцессор (МП) 4004. И если до этого в мире вычислительной техники были только три направления (суперЭВМ, большие ЭВМ (мэйн-фреймы) и мини-ЭВМ), то теперь к ним прибавилось еще одно – микропроцессорное. В общем случае под процессором понимают функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки информации на основе принципа микропрограммного управления. По аппаратной реализации процессоры можно разделить на микропроцессоры (полностью интегрированы все функции процессора) и процессоры с малой и средней интеграцией. Конструктивно это выражается в том, что микропроцессоры реализуют все функции процессора на одном кристалле, а процессоры других типов реализуют их путем соединения большого количества микросхем.

Технические характеристики ЭВМ четвертого поколения:

1. Применение модульности для создания программного обеспечения.

2. Средняя задержка сигнала 0,7 нс/вентиль.

3. Реализация модулей операционной системы на аппаратном уровне.

4. Базовый элемент оперативной памяти – полупроводник. Время чтения и записи – 100-150 нс (к 90-м гг. – еще меньше).

Кроме изменения технической базы четвертого поколения - ЭВМ, изменилось и направление создания этих машин. Они проектировались с расчетом на применение языков программирования высокого уровня, многие на аппаратном уровне были спроектированы под определенные операционные системы [8, с. 73].

Один из самых популярных компьютеров четвертого поколения – это IBM System/370, которая в отличие от своего предшественника третьего поколения System/360 имела более мощную систему микрокоманд и большие возможности низкоуровневого программирования. В машинах серии System/370 была программно реализована виртуальная память, т.е. когда часть дискового пространства отводилась для использования хранения временных данных, тем самым эмулировалась оперативная память (в отечественных ЭВМ второго поколения БЭСМ-6 виртуальная память применялась уже в 60-х гг.).

Именно в эти годы зародился термин «Персональный компьютер». Одним из первых персональных компьютеров четвертого поколения считается Altair-8800, созданный на базе микропроцессора Intel 8080. Его появление стимулировало рост периферийных устройств, компиляторов высокого уровня.

К четвертому поколению советских ЭВМ можно отнести: ЕС- 1015, ЕС-1025, ЕС-1035, ЕС-1045, ЕС-1055, ЕС-1065. Персональные компьютеры, которые стали популярны в быту: «Электроника-85», «Искра-226», ЕС-1840, ЕС-1841, ЕС-1842. К этому поколению относится и многопроцессорный компьютер «Эльбрус», применяемый в ВПК, на производстве и машиносчетных станциях. Позже его сменил «Эльбрус-2». Вычислительная мощность компьютера «Эльбрус» для того времени была очень велика. Он имел порядка 64 мегабайт оперативной памяти, мог выполнять до 5 млн операций с плавающей точкой в секунду. Пропускная способность шины составляла до 120 Мб/с.

ЭВМ четвертого поколения являются машинами массового применения. Они способны заменить ЭВМ предыдущего поколения во всех сферах человеческой деятельности, поддающихся автоматизации: в управлении технологическими процессами предприятий, торговле, инженерных расчетах, справочных центрах, в регулировании транспортного движения и многих других системах [8, с. 75].

3. Перспективные направления развития вычислительной техники

Компьютеры пятого поколения

Прогресс в развитии вычислительной техники с первого по четвёртое поколение связывался с эволюцией элементной базы. Переход к компьютерам пятого поколения предполагает переход к новым технологиям и архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта. Определить требования к компьютерам данного поколения очень трудно, потому что они все ещё находятся в стадии разработки [7, с. 178].

В 1982 году в Японии был создан комитет по разработке компьютеров новых поколений (ICOT), который разработал план создания компьютера пятого поколения. Комитетом были определены следующие основные требования к данным компьютерам:

1) создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание образов, речи);

2) развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта;

3) создание новых технологий в производстве сверхбольших интегральных схем;

4) создание архитектур компьютеров и вычислительных комплексов с новыми возможностями:

- возможностью взаимодействия с ЭВМ с помощью естественного языка, человеческой речи и графических изображений;

- способностью системы обучаться, производить ассоциативную обработку информации, делать логические суждения, вести «разумную» беседу с человеком в форме вопросов и ответов;

- способностью системы «понимать» содержимое базы данных, которая при этом превращается в базу знаний, и использовать эти знания при решении задач.

Эти возможности ЭВМ пятого поколения (машины баз знаний, универсальные решатели задач и т.д.) должны были быть реализованы аппаратно-программно.

Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта. С помощью языка Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки – задачи хранения и обработки знаний. Иначе говоря, для компьютеров пятого поколения не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на «почти естественном» языке, что от них требуется.

Предполагалось, что в ЭВМ пятого поколения быстродействие машин и емкость основной памяти составят: для персональных компьютеров – 2 млн операций в секунду и 0,5–5 Мбайт, а для сверхпроизводительных ЭВМ – от 1 до 100 млрд операций в секунду и до 160 Мбайт.

Однако планы создания специализированных «интеллектуальных» компьютеров, а тем более – попытки произвести с их помощью очередную компьютерную революцию пока оказались невыполнимыми. Во всяком случае «японский проект» ощутимых результатов так и не принес.

Идет дальнейшее совершенствование технологии производства микросхем и вычислительной техники, но так ожидаемый переход к принципиально новым технологиям компьютеров пятого поколения не произошел. Однако технология производства микропроцессоров уже приближается к фундаментальным ограничениям. Закон Гордона Мура гласит, что плотность транзисторов в микросхеме удваивается каждые полтора года [7, с. 179].

Продолжается дальнейшее развитие архитектур компьютеров. Интенсивные разработки ведутся по многим направлениям. Особенностью этих архитектур является то, что все они основаны не на кремниевых технологиях.

К технологиям, способным экспоненциально увеличивать производительность компьютеров, следует отнести:

- создание молекулярных компьютеров;

- создание биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

- разработку квантовых компьютеров;

- разработку оптических компьютеров.

Кратко рассмотрим основные принципы их построения.

Молекулярные компьютеры

Молекулярные компьютеры – вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно органических). В молекулярных компьютерах используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать на воздействия током, светом и т.п. Ученые фирмы Hewlett-Packard и Калифорнийского университета (UCLA) доказали принципиальную возможность создания молекулярной памяти ЭВМ на основе молекул роксана.

Продолжаются работы по созданию логических схем, узлов и блоков. По оценкам ученых, подобный компьютер будет в сотни миллиардов раз экономичнее современных микропроцессоров [7, с. 181].

ДНК-компьютер

ДНК-компьютер – вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Функционирование ДНК-компьютера сходно с функционированием теоретического устройства, известного в информатике как машина Тьюринга. Особое место принадлежит ДНК-процессорам.

ДНК-процессоры на уровне отдельных молекул работают очень медленно, но зато с их помощью можно организовывать параллельные вычисления, что дает перспективы по наращиванию производительности. Кроме того, потребляемая мощность таких процессоров очень мала, поэтому очевидны преимущества над полупроводниковыми технологиями.

Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры

Нейрокомпьютеры – это компьютеры, которые состоят из большого числа параллельно работающих простых вычислительных элементов (нейронов). Элементы связаны между собой, образуя нейронную сеть. Они выполняют единообразные вычислительные действия и не требуют внешнего управления. Большое число параллельно работающих вычислительных элементов обеспечивают высокое быстродействие.

Архитектура нейрокомпьютеров иная, чем у обычных вычислительных машин. Микросхемы близки по строению нейронным сетям человеческого мозга. Именно отсюда и пошло название [7, с. 183].

Идея создания подобных компьютеров базируется на основе теории перцептрона – искусственной нейронной сети, способной обучаться. Первые перцептроны были способны распознавать некоторые буквы латинского алфавита. Впоследствии модель перцептрона была значительно усовершенствована.

Автором этих идей был американский нейрофизиолог Ф. Розенблат. В 1958 г. он предложил свою модель нейронной сети. Он указал, что структуры, обладающие свойствами мозга и нервной системы, позволяют получить целый ряд преимуществ, а именно:

- более высокую надежность;

- параллельность обработки информационных потоков;

- способность к обучению и настройке;

- способность к автоматической классификации;

- ассоциативность.

Отсюда и особенности нейрокомпьютера. Он способен к обучению, а значит, ему под силу справиться с задачами, которые обычному компьютеру не под силу. Его главная особенность – способность решать задачи без четкого алгоритма или с огромными потоками информации. Поэтому уже сегодня нейрокомпьютеры применяются на финансовых биржах, где помогают предсказывать колебания курса валют и акций. Нейрокомпьютеры, распознавая образы, корректируют полет ракет по заданному маршруту.

Квантовые компьютеры

Квантовый компьютер – вычислительное устройство, которое путем выполнения квантовых алгоритмов использует при работе квантово-механические эффекты [7, с. 185].

Основоположником теории квантовых вычислений считается нобелевский лауреат, один из создателей квантовой электродинамики Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института. В 1958 г., моделируя на компьютере квантовые процессы, он понял, что для решения квантовых задач объем памяти классического компьютера совершенно недостаточен.

Р. Фейнман высказал мысль о том, что квантовые задачи должен решать квантовый компьютер: природе задачи должен соответствовать способ ее решения. И предложил один из вариантов квантового компьютера. В 1995 г. американский математик

Шор переложил для квантового компьютера алгоритм вычисления простых множителей больших чисел, используемый в популярных системах шифрования RSA. Шор показал, что если классический компьютер для нахождения множителей числа из 1000 двоичных знаков должен сделать 2¹⁰⁰⁰ операций, то квантовому компьютеру для этого понадобится всего 1000³ операций.

В основе квантовых вычислений лежит атом – мельчайшая единица вещества. Квантовые вычисления принципиально отличаются от традиционных, так как на атомном уровне в силу вступают законы квантовой физики. Один из них – закон суперпозиции: квант может находиться в двух состояниях одновременно. Обычно бит может иметь значение либо единицу, либо нуль, а квантовый бит (qubit) может быть единицей и нулем одновременно.

Оптические компьютеры

В конце XX в. начали бурно развиваться такие направления науки и техники, как волоконно-оптическая связь, полупроводниковая оптоэлектроника, лазерная техника. Поэтому XXI в. называют веком оптических технологий [7, с. 187].

Идея построения оптического компьютера давно интересует исследователей. Многие устройства ЭВМ используют оптику в своем составе: сканеры, дисплеи, лазерные принтеры, оптические диски CD-ROM и DVD-ROM.

Возможности использования света в обработке информации практически безграничны. Если использовать свет для передачи данных между чипами или логическими элементами, не будет существовать проблем со временем задержки на межсоединениях, так как передача информации будет происходить действительно со скоростью света.

Появились и успешно работают оптоволоконные линии связи. Остается создать устройство обработки информации с использованием световых потоков. Способность света параллельно распространяться в пространстве дает возможность создавать параллельные устройства обработки. Это позволило бы на много порядков ускорить быстродействие ЭВМ.

Чтобы использовать уникальные возможности оптики для обработки информации, необходимо разработать подходящие технологии создания устройств генерации, детектирования оптических сигналов, а также оптических логических элементов, управляемых светом. Элементарная оптическая ячейка должна потреблять энергии меньше, чем элемент микрочипа, быть интегрируемой в большие массивы и иметь возможность связи с большим числом подобных элементов.

Таким образом, в 1982 г. в Японии был учрежден комитет по разработке компьютеров новых поколений (ICOT), который разработал план создания компьютера пятого поколения. Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта.

Однако планы создания специализированных «интеллектуальных» компьютеров пока оказались невыполнимыми – «японский проект» ощутимых результатов так и не принес.

В настоящее время идет дальнейшее совершенствование технологии производства микросхем и вычислительной техники.

Продолжается дальнейшее развитие архитектур компьютеров.

Интенсивные разработки ведутся по многим направлениям. Особенностью этих архитектур является то, что все они основаны не на кремниевых технологиях [7, с. 189].

К технологиям, способным значительно увеличивать производительность компьютеров, следует отнести:

- создание молекулярных компьютеров;

- создание биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

- разработку квантовых компьютеров;

- разработку оптических компьютеров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассмотрены основные периоды истории вычислительной техники; более подробно представлена история электронного периода. Изложены характерные черты ЭВМ всех поколений, отмечена роль выдающихся ученых в развитии компьютерной техники.

На протяжении всего шестидесяти пяти лет компьютеры превратились из диковинных электронных монстров в мощный, гибкий, удобный и доступный инструмент. Компьютеры стали символом прогресса. По мере того как человеку понадобится обрабатывать все большее количество информации, будут совершенствоваться и средства ее обработки – компьютеры; будут появляться новые языки программирования.

К сожалению, в одной работе невозможно рассмотреть все многообразие и всю сложность мира компьютерной техники. Но краткий экскурс в историю показал развитие вычислительной техники от первых счетных приспособлений до компьютеров, в мире которых живет современное человечество.

Историю этапов развития вычислительных систем многие специалисты вычислительной техники условно делят на несколько поколений, исходя из их элементной базы. Машины для вычислений первого поколения были выполнены на электронных вакуумных радиолампах и работали как прежние арифмометры, а программы для этих машин ЭВМ писались в кодах команд, понятие «операционная система» в них пока отсутствовало.

Для второго поколения ЭВМ, появившихся в начале 1950-х гг., уже характерны новые проекты на полупроводниковых элементах.

Значительно выросли надежность и быстродействие ЭВМ, значительно уменьшились их размеры и вес. Машины уже имели трансляторы с алгоритмических языков программирования высокого уровня и автокодов. Автокоды для них были достаточно просты. Появились и первые операционные системы (ОС).

ЭВМ третьего поколения появились в 1960-х гг. Эти серии машин уже были выполнены на интегральных микросхемах-ИС с развитой ОС. Типичный пример таких ЭВМ – целое семейство отечественных ЕС ЭВМ. Автокоды для этой вычислительной техники значительно усложняются, набор операций уже в два раза больше, чем у их предшественников. Третье поколение вычислительных машин связано не только с ИС, у машин этого поколения разработана единая программно совместимая архитектура. Управление ЭВМ возложено непосредственно на ОС.

Четвертое поколение развития компьютерной техники – это поколение машин после 1970 г. В них применяются большие интегральные схемы (БИС) с многопроцессорными комплексами и достаточно развитым ПО.

   

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акулов О. А. Информатика / О. А. Акулов, Н. В. Медведев. – М.: Омега-Л, 2015. - 552 с.
2. Бурцев В. К истории создания советской вычислительной техники / В. К. Бурцев // Открытые системы. СУБД. - 2017. - № 1. – С. 23-25
3. Гутер Р. С. От абака до компьютера / Р. С. Гутер, Ю. Л. Полунов. – М.: Знание, 2015. – 145 с.
4. Езерова Г. Начало цифровой эпохи / Г. Езерова, Э. Луховицкая // Открытые системы. СУБД. - 2017. - № 7. – С. 33-35
5. Иванов А. А. История развития информатики / А. А. Иванов. – М.: Образ, 2015. – 345 с.
6. История информатики в России. Ученые и их школы: сб. ст. / Рос. акад. наук; отв. ред. А. С. Алексеев. – М.: Наука, 2016. – 347 с.
7. Казакова И. А. История вычислительной техники: Учебное пособие. – Пенза: Издательство ПГУ, 2015. – 232 с.
8. Кочегаров И. И. Эволюция вычислительных систем: учеб. пособие / И. И. Кочегаров, А. В. Полтавский, Н. К. Юрков. – Пенза: Изд-во ПГУ, 2015. – 124 с.
9. Ланина Э. П. История развития вычислительной техники / Э. П. Ланина. – Иркутск: ИрГТУ, 2015. – 378 с.
10. Леонтьев В. П. Большая энциклопедия компьютера и Интернета / В. П. Леонтьев. – М.: ОЛМА Медиа Групп, 2016. – 291 с.
11. Малиновский Б. Н. История вычислительной техники в лицах / Б. Н. Малиновский. – Киев, 2015. – 278 с.
12. Петров Ю. П. История и философия науки. Математика, вычислительная техника, информатика / Ю. П. Петров. – СПб.: БХВ-Петербург, 2015. – 295 с.
13. Поликарпов В. С. История науки и техники / В. С. Поликарпов. – М.: Феникс, 2015. – 375 с.
14. Прохоров С. На заре отечественного компьютерного века / С. Прохоров // Открытые системы. СУБД. - 2017. - № 5. – С. 53-55
15. Савельев Е. К. Информационная эпоха / Е. К. Савельев. – СПб.: Питер, 2015. – 275 с.
16. Таненбаум Э. Архитектура компьютера / Э. Таненбаум. – СПб.: Питер, 2015. – 291 с.