Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

История развития средств вычислительной техники (Четвертое и пятое поколение ЭВМ)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире мы уже не представляем себя без компьютерных технологий. Однако важно понимать исторический аспект развития технологий как один из этапов активного развития цивилизации в целом. Зная и понимая те исторические явления и процессы, которые оказали влияние на развитие компьютерных технологий сейчас можно предсказать их развитие в будущем.

Под словом «компьютер» понимается «вычислитель» в узком смысле, в более широком – устройство для вычислений.^[1]

Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Более 1500 лет тому назад для счета использовались счетные палочки, камешки и т.д.

В наше время трудно представить себе, что без компьютеров можно обойтись, но внешний вид компьютера не всегда был таким, как сейчас мы привыкли его видеть. Важно понимать, что так называемая компьютерная революция^[2] в полной мере стала ощутима только ко второй половине XX века. Сейчас же, в XXI веке невозможно представить себе жизнь без персонального компьютера, он прочно вошел в нашу жизнь, став главным помощником человека. На сегодняшний день в мире существует множество компьютеров различных фирм, различных групп сложности, назначения и поколений.

Соответственно предметом данной курсовой работы является изучение вычислительных процессов в прошлом и их сравнение с вычислительными процессами сегодняшнего дня для возможности прогнозирования развития вычислительных процессов в будущем.

1. Ручной этап развития вычислительной техники

1.1. Счёт на пальцах

Под пальцевым счетом понимаются математические вычисления путём сгибания или разгибания пальцев рук, в редких случаях – ног. Таким видом счета человечество пользовалось ещё со времен палеолита, или «каменного века» как его принято называть. Это позволило сформировать числа в определенные разряды, например: 5 – по количеству пальцев на руке, 10 – по количеству пальцев соответственно на двух руках. 20 – по количеству всех пальцев и на руках и на ногах. Включение пальцев рук и ног определило создание двадцатичной системы счета у индейцев майя в Новом Свете , где существовала структура в виде четырёх блоков по пять цифр, что соответствовало пяти пальцам руки и ноги, а ограничение исчисления пальцами рук привело к возникновению десятичной системы исчисления, преобладающей у народов Евразии. Пятеричная система, (по пальцам одной руки), распространилась в Африке. Двадцатеричная система исчисления в Старом Свете преобладала у чукчей.

В Древней Руси (особенно в Новгородской республике XII-XV веков) был широко распространен счет, основанный на исчислении числа фаланг на руке "счетовода". Счет начинался с верхней фаланги "перстка" (мизинца) левой руки, а заканчивался нижней фалангой ("низ перста") указательного пальца. Большой, или "палесъ великий", левой руки при этом последовательно осуществлял "подсчет" суставов на растопыренной пятерне. Досчитав до двенадцати, "счетовод" обращался к своей правой руке и загибал на ней один палец. Так продолжалось до тех пор, пока все пальцы правой руки не оказывались сжатыми в кулак (поскольку число фаланг на четырех пальцах было равно 12, получалось 12 пятерок, то есть 60). Кулак в данном случае символизировал пятерку дюжин, то есть "шестьдесят"

Хочется обратить внимание на распространённый в Древней Руси пальцевой счет в виде счета «сокровищами» или «счёт сороками». Всем широко известно выражение «сорок сороков»^[3] , в сознании древних русичей это количество потрясающее воображение и не умещавшееся в голове российского землепашца из-за своей ничем не ограниченной величины.

1.2. Фиксация счета, абак и счёты

Фиксация результатов счета производилась различными способами: нанесение насечек, счетные палочки, узелки и др. Например, у народов доколумбовой Америки был весьма развит узелковый счет. Более того, система узелков выполняла также роль своего рода хроник и летописей, имея достаточно сложную структуру. Однако использование ее требовало хорошей тренировки памяти.

На смену древнему счету на пальцах пришёл счёт на абаке^[4]. Который впервые появился, вероятно, в Древнем Вавилоне около 3 тыс. до н. э. Доска абака была разделена на полоски. Каждая полоска назначалась для откладывания тех или иных разрядов чисел: в первую полоску ставили столько камешков или бобов, сколько в числе единиц, во вторую полоску - сколько в нем десятков, в третью - сколько сотен, и так далее.

Так как у римлян камешек называли «калькулюс» (по аналогии с русским словом "галька"), то счет на абаке получил название калькуляция. И сейчас подсчет расходов называют калькуляцией, а человека, выполняющего этот подсчет - калькулятором. Но после того как два десятка лет тому назад были сделаны маленькие приборы, выполняющие за считанные секунды сложные расчеты, название "калькулятор" перешло к ним. Один и тот же камешек на абаке мог означать и единицы, и десятки, и сотни, и тысячи - все дело лишь в том, на какой полоске он лежал. Чаще всего абаком пользовались для денежных расчетов.

Наши счеты также представляют собой абак, состоящий из рамки с укрепленными горизонтальными веревочками, на которые были нанизаны просверленные сливовые или вишневые косточки (по 10 штук).

У китайцев на каждой проволоке не по десять шариков, а по семь. Последние два шарика отделены от первых, и каждый из них обозначает пять. Когда при расчетах набирается пять шариков, вместо них откладывают один шарик второго отделения счетов. Такое устройство китайских счетов суан-пан уменьшает необходимое число шариков.

У японцев это же устройство для счета носило название серобян. Серобян - японский абак, происходит от китайского суан-пана, который был завезен в Японию в XV - XVI веках. Серобян проще своего предшественника, у него на "небе" на один шарик меньше, чем у суан-пана.

Многовековой путь совершенствования абака привел к созданию счетного прибора законченной классической формы, используемого вплоть до эпохи расцвета клавишных настольных ЭВМ. Счёты представляют собой раму с нанизанными на спицы костяшками. В недавнем прошлом в СССР их использовали повсеместно. Да еще и сегодня кое-где их можно встретить, помогающими в расчетных операциях. И только появление карманных электронных калькуляторов создало реальную угрозу для дальнейшего использования русских, китайских и японских счетов – трех основных классических форм абака, сохранившихся до наших дней.

1.3. Позиционная система исчислений

Использование абака уже предполагает наличие некоторой позиционной системы исчисления, например, десятичной, троичной, пятеричной и др. Однако изобрели ее только в IX веке н.э. индийские ученые. При записи числа, в котором отсутствует какой-либо разряд (например, 101 или 1204), индийцы вместо названия цифры говорили слово "пусто". При записи на месте "пустого" разряда ставили точку, а позднее рисовали кружок. Такой кружок назывался "сунья" - на языке хинди это означало "пустое место". Арабские математики перевели это слово по смыслу на свой язык - они говорили "сифр". Современное слово "нуль" родилось сравнительно недавно – позднее, чем "цифра". Оно происходит от латинского слова "nihil" или "никакая".

Современная десятичная позиционная система^[5] возникла на основе нумерации, зародившейся в Индии. До этого в Индии имелись системы , в которых применялся не только принцип сложения, но и принцип умножения (единица какого-нибудь разряда умножается на стоящее слева число). Аналогично строились старокитайская системы . и некоторые другие. Если, например, условно обозначить число 3 символом III, а число 10 символом X, то число 30 запишется как IIIX (три десятка). Такие системы могли служить подходом к созданию десятичной позиционной нумерации. – десятичной позиционной системы, что дает принципиальную возможность записывать сколь угодно большие числа. Запись чисел в ней компактна и удобна для производства арифметических операций. Поэтому вскоре после возникновения десятичная позиционная система начинает распространяться из Индии на Запад и Восток. Арабский ученый, математик Мухаммед бен Муса ал-Хорезми (из города Хорезма на реке Аму-Дарья) в своей книге подробно описал индийскую арифметику. Триста лет спустя (в 1120 году) эту книгу перевели на латинский язык, и она стала первым учебником "индийской" (то есть нашей современной) арифметики для всех европейских городов. Приблизительно в это же время индийские цифры начали применять и другие арабские учёные. Кроме того ал-Хорезми приблизительно в 850 году н.э. написал книгу об общих правилах решения арифметических задач при помощи уравнений. Она называлась "Китаб ал-Джебр". Эта книга дала имя науке алгебре. Мухаммеду бен Муса ал-Хорезми мы обязаны появлению термина "алгоритм". В первой половине XII века книга ал-Хорезми в латинском переводе проникла в Европу. Переводчик, имя которого до нас не дошло, дал ей название Algoritmi de numero Indorum ("Алгоритмы о индийском счете").

В IX в. появляются рукописи на арабском языке, в которых излагается эта система , в X в. десятичная позиционная нумерация доходит до Испании, в начале XII в. она появляется и в других странах Европы. Новая система получила название «арабской», потому что в Европе с ней познакомились впервые по латинским переводам с арабского. Только в XVI в. новая нумерация получила широкое распространение в науке и в житейском обиходе. В России она начинает распространяться в XVII в. С введением десятичных дробей десятинная позиционная система стала универсальным средством для записи всех действительных чисел.

В десятичной системе используются цифры от 0 до 10. Причем, т.к. система позиционная, положение цифр имеет значение: справа налево разряд увеличивается. Десятичная система наиболее удобна для людей во многом потому, что у нас по десять пальцев на руках и ногах.

Счет на пальцах, различался у каждого вида народностей, но нес в себе одинаковый смысл, однако это было очень неудобно и трудоемко. С течением времени появилась потребность фиксировать полученный результат вычислений, например с помощью палочек, камешков, узелков и т.п. в результате чего появился абак и в последующем более известные и понятные нам счеты. Человечество стремилось облегчить и упростить вычислительный процесс, появляются первые научные труды в части арифметический действий и возникает новая система нумерации, более известная как «арабская».

2. Механический этап развития вычислительной техники

2.1.Механическая счетная машина Вильгельма Шиккарда

Вильгельм Шиккард (22.04.1592 – 24.10.1635) – немецкий учёный, математик, создатель арифмометра, более известного более известного как считающие часы Вильгельма Шиккарда. Считающими часами устройство было названо из-за механизма, аналогичного часовому, основывающемуся на шестеренках и звездочках. Машина содержала суммирующее и множительное устройства, а также механизм для записи промежуточных результатов. Первый блок — шестиразрядная суммирующая машина — представлял собой соединение зубчатых передач. На каждой оси имелись шестерня с десятью зубцами и вспомогательное однозубое колесо — палец. Палец служил для того, чтобы передавать единицу в следующий разряд (поворачивать шестерёнку на десятую часть полного оборота, после того как шестерёнка предыдущего разряда сделает такой оборот). При вычитании шестерёнки следовало вращать в обратную сторону. Контроль хода вычислений можно было вести при помощи специальных окошек, где появлялись цифры. Для перемножения использовалось устройство, чью главную часть составляли шесть осей с «навёрнутыми» на них таблицами умножения. Данная машина была изобретена на двадцать лет ранее машины Б. Паскаля.

2.2. Суммирующая машина Паскаля

Блез Паскаль^[6] (19.06.1623 – 19.08.1662) – французский математик, физик, механик, литератор, создатель первых образцов техники для счёта.

Паскаль часто помогал отцу по роду его деятельности, связанной со взиманием налогов, податей и соответственно их пересчетом. Существующие на тот момент системы счета Паскаль считал утомительными^[7] и крайне неудобными, что привело его к мысли о создании вычислительного устройства, которое помогло бы упростить расчеты.

В 1642 Паскаль приступил к созданию вычислительной машины, в последующем более известной по имени своего создателя – «паскалины».

Машина Паскаля представляла собой механическое устройство в виде ящичка с многочисленными связанными одна с другой шестерёнками. Складываемые числа вводились в машину при помощи соответствующего поворота наборных колёсиков. На каждое из этих колёсиков, соответствовавших одному десятичному разряду числа, были нанесены деления от 0 до 9. При вводе числа колесики прокручивались до соответствующей цифры. Совершив полный оборот, избыток над цифрой 9 колёсико переносило на соседний разряд, сдвигая соседнее колесо на 1 позицию. Первые варианты «Паскалины» имели пять зубчатых колёс, позднее их число увеличилось до шести или даже восьми, что позволяло работать с большими числами. Ответ появлялся в верхней части металлического корпуса. Вращение колёс было возможно лишь в одном направлении, исключая возможность непосредственной работы с отрицательными числами. Однако машина Паскаля позволяла выполнять не только сложение, но и другие операции, однако требовала при этом применения довольно неудобной процедуры повторных сложений. Вычитание выполнялось при помощи дополнений до девятки, которые для помощи считавшему появлялись в окошке, размещённом над выставленным оригинальным значением. Так как успех в осуществлении замысла зависел от того, насколько точно ремесленники воспроизводили размеры и пропорции деталей машины, Паскаль сам присутствовал при изготовлении её составляющих.

2.3. Арифмометр Лейбница

Готфрид Вильгельм Лейбниц^[8] (01.07.1646 – 14.11.1716) – немецкий математик, механик, физик, изобретатель.

После знакомства Лейбница с выдающимся голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом возникла идея создания вычислительной машины. Астроному приходилось выполнять большое количество вычислений, что навело Лейбница на мысль о создании механической машины, способной облегчить подобные расчеты. Сложение чисел выполнялось в десятичной системе при помощи связанных друг с другом колёс (аналогично «Паскалине»). В конструкцию была добавлена движущая часть и специальная рукоятка, позволяющая крутить ступенчатое колесо (в более поздних вариантах колёса были заменены на цилиндры), что позволяло ускорить повторяющиеся операции сложения, так же при помощи их выполнялись операции деления и умножения чисел, а необходимое число повторяющихся операций сложения выполнилось автоматически^[9].

С развитием механики и техники человечество стало задумываться над созданием счетных машин, которые выполняли был не только простейшие действия сложения, но вычитание, деление и умножение. Были созданы в разное время машины, описанные в данной главе, в которых была заложена одинаковая суть. Они запоминали промежуточные результаты, некоторые повторяющиеся арифметические действия выполнялись автоматически, машины выводили конечный результат в определенном окошке и существенно облегчали вычислительные процессы для того времени. Однако они имели соответственно и ряд недостаток: высокая стоимость и доступность лишь небольшому количеству населения, большой объем и монотонность механических действий.

3. Электромеханический и электронно-вычислительный этапы развития вычислительной техники

3.1. Табуляторы

Табулятор – электромеханическая машина, предназначена для обработки информации в числовом и буквенном выражении, записанной на перфокартах, результат выдается на бумажную ленту или специальный бланк.

Первый табулятор создан американским изобретателем Германом Холлеритом (29.02.1860 – 17.11.1929) в 1890 году. Был ассистентом профессора в бюро по переписи населения, работа на этом поприще привела к изобретению первого статистического табулятора. Использовались для обработки массивов данных до того, как появились электронно-вычислительные машины (далее – ЭВМ). Табуляторы широко использовались в СССР и являлись основным оборудованием на машиносчётных станциях.

Данная машина могла эффективно выполнять действия сложения и вычитания, а умножение и деление выполнялись методом последовательного многократного сложения и вычитания. Работа проводилась в соответствии с набираемой на коммутационной панели программой. Холлерит организовал фирму по производству табуляционных машин – ТМС (Tabulating Machine Company), продавая машины железнодорожным и правительственным учреждениям. С годами на предприятии в результате слияний и преобразований произошел ряд изменений, в результате чего с 1924 года фирма Холлерита стала называться IBM^[10].

3.2. Машина Тьюринга

Алан Тюринг (23.06.1912 – 07.06.1954) – английский математик, криптограф, логик, оказал существенное влияние на развитие информатики.

Машина Тьюринга является расширением конечного автомата^[11] и способна имитировать все другие исполнители (с помощью задания правил перехода), каким-либо образом реализующие процесс пошагового вычисления, в котором каждый шаг вычисления достаточно элементарен.

Машина имеет бесконечную в обе стороны ленту, разделенную на квадратики (ячейки). В каждой ячейке может быть записан некоторый символ из фиксированного (для данной машины) конечного множества, называемого алфавитом данной машины. Один из символов алфавита выделен и называется "пробелом", предполагается, что изначально вся лента пуста, то есть, заполнена пробелами.

Машина Тьюринга может менять содержимое ленты с помощью специальной читающей и пишущей головки, которая движется вдоль ленты. В каждый момент головка находится в одной из ячеек. Машина получает от головки информацию о том, какой символ та видит, и в зависимости от этого (и от своего внутреннего состояния) решает, что делать, то есть какой символ записать в текущей ячейке и куда сдвинуться после этого (налево, направо или остаться на месте). При этом также меняется внутреннее состояние машины (мы предполагаем, что машина не считая ленты имеет конечную память, то есть конечное число внутренних состояний).

Так Тьюринг показал, что не существует "чудесной машины", способной решать все математические задачи. Но, продемонстрировав ограниченность возможностей, он на бумаге построил то, что позволяет решать очень многое и что мы теперь называем словом "компьютер".

Наконец, на электромеханическом этапе была реализована идея Бэббиджа создания универсальной вычислительной машины с программным управлением, по сложности соизмеримая с наиболее сложными техническими системами того времени. Уже на этом этапе выявляется зависимость возможностей вычислительной техники от ее системной сложности; многие наработки данного этапа легли в основу развития современного этапа развития вычислительной техники – электронного.

3.3. Первое, второе и третье поколение электронно-вычислительных машин

ЭВМ первого поколения появились в 1946 году. Они были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными - лампы приходилось часто менять. Для ввода-вывода данных использовались перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок.

Компьютеры данного поколения сумели зарекомендовать себя в прогнозировании погоды, энергетических задач, задач военного характера и других сложнейших операциях, но они были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами. Притом для каждой машины использовался свой язык программирования. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими.

С февраля 1946 года в Филадельфии в университете штата Пенсильвания (США) была официально введена в эксплуатацию электронная цифровая вычислительная машина ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator - электронный численный интегратор и вычислитель), на электронных лампах, построенная американскими электроинженерами Дж.П. Эккертом и Дж. Мокли и использовавшая в качестве переключающих элементов 18 тысяч электронных ламп и 1500 реле. Машина с памятью на 20 слов, способная за полсекунды перемножать одно на другое 5000 пятизначных чисел, занимала площадь около 200 квадратных м и весила 50 т. ENIAC предназначался для проведения артиллерийских расчетов, однако пока его строили, война закончилась, задачи такого рода отпали, так что первой работой стали расчеты по сверхсекретному Манхэттенскому проекту (программе разработок ядерного оружия). Впоследствии ЭВМ перевезли на один из военных полигонов, где она функционировала до 1955 года.

В 1948г. году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ – Малой электронной счетно-решающей машины (МЭСМ)^[12]. В 1951г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20 разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах. Она имеет около 6000 электровакуумных ламп (около 3500 триодов и 2500 диодов), занимает площадь 60 квадратных метров, потребляет мощность около 25 кВт.

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 работает с большей скоростью.

Эти дискретные транзисторные логические элементы со временем 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 1960-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно-совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно-совместимых, основанных на интегральных схемах.

В 1960 г. появились первые интегральные схемы (микросхемы), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. Интегральная схема - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 квадратных миллиметров. Одна такая схема способна заменить десятки тысяч транзисторов, один кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный "Эниак". А компьютер с использованием интегральных схем достигает производительности в 10 млн. операций в секунду. Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы, 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.

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

Впоследствии были выпущены и другие машины - семейство 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.

3.4. Четвертое и пятое поколение ЭВМ

В 1970-е годы XX века появились три новых технологии: микропроцессорная, космическая и генная. Каждая из этих технологий в значительной степени меняет мировоззрение и психологию людей. Появление микропроцессора означает, что миниатюрный логический автомат может быть встроен в любое, как угодно малое устройство, при этом устройство приобретает новое качество – интеллектуальность.

Микропроцессорная технология имеет множество направлений – это и создание персональных электронных средств различного назначения, интеллектуализация всей техносферы, защита человеческого организма, помощь в выполнении необходимых функций при помощи медико-кибернетических устройств, в том числе вживляемых в организм. Высокая степень интеграции большой интегральной схемы (далее – БИС), повышенное быстродействие, высокая степень надежности, снижение стоимости, все это позволило значительно уменьшить размеры компьютеров, достигнуть быстродействия порядка сотен миллионов операций в секунду, объем основной памяти достиг десятков Мбайт.

Появился новый класс компьютеров – микрокомпьютеры. Процессор микрокомпьютера собирался теперь из одной или нескольких микропроцессорных БИС. Для построения микрокомпьютера дополнительно подключались микросхемы памяти и микросхемы, обеспечивающие обмен информацией между процессором и внешними устройствами. Компьютеры стали доступны по цене отдельным пользователям. Это привело к широкому производству персональных компьютеров. В США их выпуск возрос с 1974 по 1978 год с 73 тыс. штук до 3 млн. штук. Характеристики микрокомпьютеров быстро догоняли характеристики миникомпьютеров.

В это время наблюдались следующие тенденции – распределение вычислительных ресурсов и оснащение персональными компьютерами рабочих мест с одной стороны и объединение вычислительных ресурсов для решения общих задач большого объема. Это привело к сетевому буму, бурно стали развиваться сетевые технологии, появились специальные компьютеры для организации сетей, получившие название серверы и рабочие станции. В качестве рабочих станций компьютерных сетей стали использовать персональные компьютеры, а обслуживающие группы компьютеров серверы становились все более мощными и сравнялись по своим возможностям с универсальными компьютерами большой мощности (мэйнфреймами), появляется новый вид компьютеров – суперсерверы.

В 1986 году Дэниел Хиллис (Thinking Machines Corp.-Корпорация думающих машин) сделал шаг вперед в создании искусственного интеллекта, он разработал концепцию массового параллелизма, которую воплотил в машине соединений(Connection Machine). Машина использовала 16000 процессоров и могла совершать несколько миллиардов операций в секунду. Каждый процессор имел небольшую собственную память, и был связан с другими процессорами через гибкую сеть, которую пользователи могли изменять, перепрограммируя структуру компьютера. Система связей позволяла процессорам передавать информацию и запрашивать помощь других процессоров, как в модели мозга. Используя систему связей, машина могла работать быстрее, чем любой другой компьютер при решении задач, которые можно распределить для параллельного решения на многих процессорах.

Примером отечественных компьютеров четвертого поколения может служить многопроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус".

Эльбрус-1 имел быстродействие до 5,5 млн. операций с плавающей точкой в секунду, а объем оперативной памяти до 64Мб. Пропускная способность каналов ввода-вывода достигала 120 Мб/с. В 1978 году в Советском Союзе было начато производство универсальных многопроцессорных комплексов четвертого поколения Эльбрус-2.

Эльбрус-2 имел производительность до 120 млн. операций в секунду, емкость оперативной памяти до 144 Мб или 16 Мегаслов (слово 72 разряда). В 1979 году была завершена разработка вычислительной системы ПС-2000. Поиск путей к рекордной производительности вычислительных систем требует нестандартных решений. В 70е годы архитектура вычислительных машин строилась с использованием различных принципов параллелизма, которые позволяли сделать очередной рывок производительности. От миллиона операций в секунду к десяткам и сотне миллионов. Основными пользователями советских супер-ЭВМ были организации, которые решали секретные задачи обороны, реализовывали атомную и ядерную программы. Но в 1979 году в стенах Института проблем управления АН СССР (ИПУ) завершается разработка высокопроизводительной вычислительной системы ПС-2000, предназначавшейся для сугубо мирных нужд. Аббревиатура ПС означает «перестраиваемые структуры». Так называемыми однородными решающими полями – структурами из однотипных процессорных элементов, способных параллельно обрабатывать данные в ИПУ начали заниматься в конце 1960-х. Лидером этого направления был академик Ивери Варламович Прангишвили.

Через два года в активе молодых ученых были теоретически обоснованные принципы построения однородных решающих полей, авторское свидетельство, микроэлектронная реализация однородных структур, публикации в научных журналах и доклад на международном конгрессе. С 1975 года началась разработка вычислительной системы ПС-2000 исключительно собственными силами. В работе приняло участие Северодонецкое научно - промыщленное объединение (НПО) «Импульс». Замечательно то, что найденные специалистами из ИПУ принципы однородных решающих полей не требовали сверхмощной элементной базы для создания высокопроизводительной параллельной машины. Для ПС-2000 и последовавшей за ней системы ПС-3000 электронная промышленность не выпустила ни одной заказной микросхемы. При этом вычислительные комплексы ПС-2000 обгоняли дорогостоящие «Эльбрусы», обеспечивая быстродействие до 200 млн. операций в секунду. Проходившие испытания восемь опытных образцов машины продемонстрировали на геофизических задачах суммарную производительность порядка 1 млрд. операций в секунду.

Геофизика была основной сферой применения ПС-2000. Эта мощная машина позволила наконец просчитать залежи данных сейсморазведки, которые в огромных объемах накапливались ежегодно. Доступные вычислительные мощности, в силу ограниченной производительности, просто не успевали их обрабатывать - для этого необходимо было быстродействие раз в сто больше того, что имелось в совокупности. Поскольку такие задачи прекрасно поддавались распараллеливанию, их удалось с большой эффективностью решить на многопроцессорных комплексах ПС-2000. Были сделаны специальные экспедиционные вычислительные комплексы ЭГВК ПС-2000, отлично приспособленные к работе в условиях геофизических экспедиций, - они не занимали большой площади, потребляли мало энергии и не требовали больших расходов на эксплуатацию. В ПС-2000 реализована архитектура с одним потоком команд и многими потоками данных (SIMD). Центральным компонентом системы являлся мультипроцессор, включавший от 8 до 64 одинаковых процессорных элементов. Процессорные элементы обрабатывали множество потоков данных по программе из общего модуля управления (один модуль на каждые восемь элементов).

К началу 1980-х годов производительность персональных компьютеров составляла из сотни тысяч операций в секунду. Мировой парк компьютеров превысил 100 млн. Дальнейшее развитие вычислительной техники привело к широкому использованию ее во всех областях человеческой деятельности. Для автоматизации управления технологическими процессами в промышленности стали широко применяться специальные промышленные компьютеры. Специальные компьютеры управляют технологическими установками, работают в операционных или машинах скорой помощи, на ракетах, самолётах и вертолётах, вблизи высоковольтных линий передач или в зоне действия радаров, радиопередатчиков, в неотапливаемых помещениях, под водой на глубине, в условиях пыли, грязи, вибраций, взрывоопасных газов и т.п.

Четвертое поколение компьютеров стало переходным на пути к компьютерам пятого поколения. Компьютеры пятого поколения построены на новой элементной базе, позволяющей реализовать интеллектуальные способности человека. В 1982 году в Японии был учрежден комитет по разработке компьютеров новых поколений (ICOT), который разработал план создания компьютера пятого поколения. Комитет определил следующие основные требования к компьютерам 5-го поколения: создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов); развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта; создание новых технологий в производстве сверхбольшой интегральной системы (далее – СБИС); создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов.

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. Коротко говоря, для компьютеров "пятого поколения" не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на "почти естественном" языке, что от них требуется. Вначале это казалось простой задачей, но задача оказалась значительно более трудной, так как человеческое понимание воспринимает контекст, который нельзя передать при простом переводе слов.

К сожалению, японский проект ЭВМ пятого поколения повторил трагическую судьбу ранних исследований в области искусственного интеллекта. Проект был прекращен, а разработанные устройства по производительности оказались не выше массовых систем того времени. Однако, проведенные в ходе проекта исследования и накопленный опыт по методам представления знаний и параллельного логического вывода сильно помогли прогрессу в области систем искусственного интеллекта в целом.

Сейчас компьютеры 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 позволяет общаться с компьютерами всем пользователям, даже тем, кто не имеет специальных знаний в этой области. Многие успехи, которых достиг искусственный интеллект, используют в промышленности и деловом мире. Экспертные системы и нейронные сети эффективно используются для задач классификации (фильтрация СПАМа, категоризация текста и т.д.). Добросовестно служат человеку генетические алгоритмы (используются, например, для оптимизации портфелей в инвестиционной деятельности), робототехника (промышленность, производство, быт и т.д.), а также многоагентные системы.

В 1993 году на рынок поступило крайне перспективное устройство - карманный компьютер Newton. Проект Newton изначально не был нацелен на создание карманного компьютера. Такого устройства как КПК, в 1992 году просто не было. Устройство было по настоящему революционным. Пользователи получили возможность работать в любом месте. Но, хотя Apple Newton производился шесть лет, он так и не добился большого успеха. Причин было несколько, во-первых, крайне высокая стоимость устройства. Во-вторых, устройство не было таким уж карманным, по размерам Newton превосходит тот же Iphone примерно в 2 раза. Одним из новшеств, которые позже стали применятся повсеместно, стало распознавание рукописного текста. Эта функция работала далеко не всегда стабильно. В результате Newton от Apple так и остался нишевым продуктом. Производился Newton с изменениями до 1998 года.

В 2004 году создан новейший планшетный ПК, компания Fujitsu, опиралась на свой многолетний опыт на рынках систем с перьевым вводом и ноутбуков.

Эта модель, оснащенная 12,1-дюйм экраном, напоминала тонкие и легкие переносные ПК серии S-Series. Она оснащена 1,4-МГц процессором Pentium M с 400-МГц шиной и памятью от 256 Мбайт до 2 Гбайт. В стандартной версии предусмотрен адаптер беспроводной связи по стандарту 802.11b. По оценке изготовителя, батареи хватает на 4,5 ч работы, а заменять ее можно, не выключая компьютер. T3000 можно было легко использовать и как ноутбук, и как устройство с перьевым вводом данных. Правда, масса Т3000, 1,9 кг, была довольно велика для планшетного ПК.

Apple MacBook Pro 2006 года выпуска. Впервые iPhone был анонсирован на конференции MacWorld Expo 9 января 2007 года. В продажу он поступил 29 июня 2007 года и быстро завоевал существенную часть рынка смартфонов. Корни возникновения iPhone восходят к популярности iPod.
В период с 2002 по 2004 годы Apple решили сделать устройство, которое бы объединило в себе мобильный телефон, плеер и коммуникатор. Первое поколение iPhone не было лишено недостатков. Наиболее существенным, вызвавшим наибольшую критику, было отсутствие поддержки сетей третьего поколения 3G. Из-за этого пользователям приходилось использовать гораздо более медленный протокол EDGE.

Ноутбук Apple MacAir. Уникальная портативность не жертвует размерами экрана и клавиатуры. Благодаря использованию современного видеочипа и центрального процессора, помимо уникальной портативности этот продукт от Apple обладает еще и завидной функциональностью.

Еще одним уникальным продуктом 2008 года является MacPro. Восьмиядерная вычислительная мощность еще год назад (в 2007 году) была вершиной возможного на тот момент. Сегодня она доступна уже в стандартной конфигурации. Производительность стала просто феноменальной: в два раза выше, чем у предыдущей модели Mac Pro. Новый Mac Pro основан на новейшей технологии Intel - четырехъядерные процессоры Intel Xeon «Harpertown». Процессоры работают на скорости до 3,2 ГГц, построены по технологии 45 нм, благодаря этому обеспечивают низкое энергопотребление. Помимо уникального процессора MacPro имеет на борту до 32 Гб оперативной памяти и общую дисковую ёмкость до 4 Тб.

Персональные компьютеры. С 1970 года начинается эра персональных компьютеров. Появление микропроцессоров в семидесятые годы привело к созданию множества персональных компьютеров от первых 8-ми разрядных до 64. Первые персональные компьютеры не имели монитора и жесткого диска и операционная система компьютера загружалась в оперативную память с дискет.

В 1972 году Hewlett-Packard объявил о выпуске микрокалькулятора HP-35 как "быстрого, чрезвычайно точного варианта электронной логарифмической линейки " с твердотельной памятью, подобной памяти компьютера. HP-35 отличался от конкурентов способностью выполнять широкий набор логарифмических и тригонометрических функций, хранить большее количество промежуточных результатов, вводить и выводить данные в экспоненциальном формате. Небольшая компания Micro Instrumentation Telemetry Systems (MITS), занимающаяся электроникой в городе Альбукерке (шт. Нью-Мексико) в 1974 году объявила о разработке небольшого компьютера для индивидуального пользования. Эд Робертс и двое его партнеров создали небольшой сборный компьютер. Он получил название Altair.

Машина была оснащена новейшим для того времени процессором 8080 компании Intel, имела 256 байт памяти и панель с переключателями, на которой мигали многочисленные лампочки.

Значительность самого события полностью перекрывала многочисленные технические неувязки, из-за которых мучительно трудно было заставить аппаратуру работать. Altair, во всеобщем понимании, стал первым коммерческим массовым "персональным компьютером". В марте 1974 года Scelbi (SCientific ELectornic and Biological) Computer Consulting представила машину на базе более раннего процессора Intel -8008. Она имела 1 кбайт программируемой памяти и была предназначена в основном для научного применения. В июле того же года журнал Radio Electronics опубликовал статью о другом сборном домашнем компьютере Mark-8 на базе процессоров 8008. Однако и Scelbi 8H, и Mark-8 продавались плохо. Фирма Scelbi прекра тила производство 8H в декабре того же года. В 1975 году был выпущен первый текстово- графический дисплей, в этом же году выпустила первый персональный компьютер (IBM 5100) фирма IBM. В 1976 году был выпущен первый персональный компьютер Apple, позднее эта фирма стала выпускать широко известные компьютеры - Macintosh.

С 1977 года начинается массовое производство персональных компьютеров Apple-2, TRS-80 и PET. Персональный компьютер Apple-II представлял собой достаточно дорогой (без монитора и касетного магнитофона) компьютер. Он был выполнен на невиданном по тем временам техническом уровне. Компьютер был построен на минимально возможном количестве микросхем (расположенных на одной печатной плате), имел зашитое в ПЗУ программное обеспечение - операционную систему и Basic, 4 Кбайт ОЗУ, два игровых электронных пульта, интерфейс для подсоединения к кассетному магнитофону и систему цветной графики для работы с цветным монитором или обычным телевизором. Персональный компьютер TRS-80, с процессором Z-80, состоял из четырех модулей - 12-дюймового монитора, системного блока с интегрированной клавиатурой, блока питания и кассетного магнитофона. Компьютер поставлялся с зашитым в ПЗУ программным обеспечением Basic Level и двумя кассетами, одна из которых содержала игровые программы.

Персональный компьютер PET (Personal Electronic Transactor) фирмы Commodore принадлежал к немногочисленным компьютерам, объединившим в одном модуле системный блок, монитор, накопители и клавиатуру. РЕТ содержал процессор, 14 Кбайт ПЗУ с Basic и операционной системой, 4 Кбайт ОЗУ, 9-дюймовый монитор и кассетный магнитофон. Этот компьютер считался идеальным решением для преподавателей и учащихся. Разработка первых персональных компьютеров фирмой IBM не имела большого успеха, лишь в 1981 году появился первый успешно продаваемый персональный компьютер фирмы IBM - IBM PC, успех этого компьютера привел к тому, что торговая марка PC стала нарицательным именем персональных компьютеров. В это время большинство компьютеров были 8-разрядными. Компьютер фирмы IBM был создан на 16-разрядном процессоре Intel 8088. Впервые была применена концепция открытой архитектуры в персональных компьютерах, что позволило пользователям добавлять новые компоненты, расширяя возможности компьютера без замены всего устройства. В 1983 году фирма IBM выпустила компьютер PC/XT, он был укомплектован жестким диском на 10 Мбайт, имел оперативную памятью до 640 Кбайт и операционную систему MS-DOS. Начиная с PC/XT произошел взрыв в индустрии персональных компьютеров. Первый, успешно продаваемый персональный компьютер, выпущенный в 1977 году фирмой Apple назывался Apple-II по имени фирмы, позже появился и Apple III. В 1983 году корпорация Apple Computers построила персональный компьютер "Lisa" - первый офисный компьютер, управляемый манипулятором "мышь".

И только в 1984 году был выпущен прославивший фирму персональный компьютер Apple Macintosh. Он имел графический интерфейс, 9- дюймовый экран, работал на частоте 8MГц и был построен на 32-битном микропроцессоре Motorola 68000. С его появлением вводятся в обиход "мышка" и иконки", облегчающие работу с компьютером. В 1988 году соучредитель Apple Стив Джобс оставил компанию Apple, чтобы сформировать собственную компанию и вскоре обнародовал следующий, созданный им компьютер, который потерпел неудачу, но были признаны важные новшества, примененные в нем. Компьютер был создан на микропроцессоре Motorola 68030, с 256 мегабайтами оптической памяти на диске для чтения - записи.

Это был первый персональный компьютер, включавший:

Дисковод для оптического диска;
Встроенный цифровой сигнальный процессор, который позволял распознавать голос;
Использовались объектно-управляемые языки, которые упрощали программирование.

В XXI веке за относительно короткий промежуток времени, в развитии вычислительной техники произошел большой скачок. Появились намного более мощные и транспортабельные персональные компьютеры. Например, 2017 персональный компьютер от Lenovo 720-18APR обладает уже следующими техническими характеристиками: процессор AMD Ryzen 3 2200G, частота 3500МГц, 4 ядра процессора, оперативная память 4 ГБ и объемом жесткого диска 1024ГБ.

Появились такие виды персональных компьютеров, как моноблок (несколько устройств в одном корпусе, позволяющее сокращать минимально занимаемую площадь) В 2019 вышел моноблок Apple iMac, с диагональю монитора 27 дюймов, процессором Intel Core i9-9900K, 8 ядер процессора, оперативной памятью 64 ГБ и объемом жесткого диска 1000Гб.

Суперкомпьютеры. Первые суперкомпьютеры появились уже среди компьютеров второго поколения, они были предназначены для решения сложных задач, требовавших высокой скорости вычислений. Это LARC фирмы UNIVAC, Stretch фирмы IBM и "CDC-6600"(семейство CYBER) фирмы Control Data Corporation, в них были применены методы параллельной обработки (увеличивающие число операций, выполняемых в единицу времени), конвейеризация команд (когда во время выполнения одной команды вторая считывается из памяти и готовится к выполнению) и параллельная обработка при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределяет задачи и управляет потоком данных в системе. Компьютеры, выполняющие параллельно несколько программ при помощи нескольких микропроцессоров, получили название мультипроцессорных систем.

Отличительной особенностью суперкомпьютеров являлись векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами - векторами и матрицами. В них были встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполнял операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном - выдавал сразу векторные команды.

Компьютеры фирмы Cray Research были классикой в области векторноконвейерных суперкомпьютеров. Существует легенда, что первый суперкомпьютер Cray был собран в гараже, однако этот гараж был размером 20 х 20 метров, а платы для нового компьютера заказывались на лучших заводах США.

В 1964 году был создан компьютер CDC6600, а в 1969 году - CDC7600, вошедшие в семейство CYBER. Для повышения быстродействия в суперкомпьютерах семейства CYBER использовались методы конвейерной и параллельной обработки при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределял задачи и управлял потоком данных в системе.

В 1972 году был создан сверхпроизводительный компьютер ILIAC4 (США) с конвейерной архитектурой, включавшей 64 процессора. Это был наиболее крупный проект среди компьютеров третьего поколения. Разрабатывали компьютер сотрудники Илинойского университета во главе с Д.Слотником. Компьютер был предназначен для решения системы уравнений в частных производных при помощи итерационных разностных схем. Решение такой задачи могло быть ускорено в 64 раза по сравнению с последовательным вычислением на однопроцессорном компьютере. Максимальное быстродействие компьютера составляло 200Млн.операций в секунду.

Россия по данным на ноябрь 2019 имеет 3 суперкомпьютера в перечне. Система Cray XC40, установленная в Росгидромете. Данная система была представленная на рынке в сентябре 2014 года. Суммарная производительность его 480000 процессов составляет 16 петафлопс.

Суперкомпьютер «Ломоносов-2» вычислительного центра МГУ. Создан в 2014 году, для него использовались сверхинтегрированные решения A-Class компании Т-Платформы. Данная система, состоящая из 1280 узлов (5 стоек) на базе процессоров Xeon E5 v3 и ускорителей Nvidia K40M, заняла 22 место в мировом рейтинге суперкомпьютеров TOP500, продемонстрировав производительность в 1,85 петафлопс на тесте HPL Linpack при энергопотреблении порядка 0.65 МВт в ноябре 2014 года.

Суперкомпьютер «Кристофари» , создан Сбербанком России и компанией Nvidia, по данным на ноябрь 2019 является самым мощным в России суперкомпьютером. Разработан дочерней компанией Сбербанка SberCloud и Nvidia на основе высокопроизводительных узлов NVIDIA DGX-2, оснащенных вычислительными ускорителями Tesla V100.

С конца XIX века развивается электронно-механический этап вычислительной техники, связанный с промышленным скачком и направленный на подсчет большого количества обрабатываемых числовых данных. В 1940 –1950 –е гг. появились первые электронно-вычислительные машины, которые в основном были направлены на решение задач связанных с военным делом, прогнозированием погоды и т.п. Машины были большими по площади, дорогостоящими и для каждой был разработан свой язык программирования. Однако в данный период были заложены основы таких понятий, как «программирование» и «компьютер». С 1960-1970гг. на смену ламповых компьютеров пришли микросхемы и микропроцессоры, стали использоваться языки программирования. Появляется новый вид компьютеров – суперсерверы, особое внимание уделяется мощности, быстродействию и начинается эра персональных компьютеров. Компьютеры становятся более компактными, появляются планшетные компьютеры, ноутбуки и моноблоки. Со стороны пользователей большое внимание уделяется не только мощности, но простоте управления и дизайну.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С течением времени появилась потребность фиксировать полученный результат вычислений, например с помощью палочек, камешков, узелков и т.п. в результате чего появился абак и в последующем более известные и понятные нам счеты. Человечество стремилось облегчить и упростить вычислительный процесс, появляются первые научные труды в части арифметический действий и возникает новая система нумерации, более известная как «арабская».

БИБИЛИОГРАФИЯ

Бутру Э. Паскаль. Великий мыслитель XVII столетия – математик, физик и философ. – М.:Едиториал УРСС, 2019 – 216 с.

Гашков С.Б. Системы счисления и их применение. – М.: МЦНМО, 2012 – 68 с.

Герстнер Л. Кто сказал, что слоны не могут танцевать? Жестки реформы для выживания компании. М.: Альпина Паблишер. 2018, - 320 с.

Гутер Р. С., Полунов Ю. Л. От абака до компьютера. – М.: Знание, 1981. – 240 с.

Даль В.И. Толковый словарь живого великорусского языка. – М.: ИГ «Весь», 2004. – 736 с.

Зайцев Г., Федюкин В., Атрошенко С. История техники и технологии. – М.: Политехника СПб, 2007, - 416 с.

Келим Ю. М. Вычислительная техника. – М.: Academia, 2013, - 368 с.

Клаус Шваб. Четвертая промышленная революция. – М.: Эксмо, 2019. – 208 с.

Погребысский И.Б. Готфрид Вильгельм Лейбниц. – М.: Наука, 1971, - 320 с.

Толковый словарь по вычислительным системам / Под ред. Иллингуорт В., Глейзер Э., Пайл И. К.: Пер. с англ. Белоцкий А. К., Плахтия Ю. Н., Юсуфович Л. Б.. — М.: Машиностроение, 1991 — 560 с.

Хопкрофт Д., Мотвани Р., Ульман Д. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений – М.:Вильямс, 2019, - 528 с.

Толковый словарь по вычислительным системам / Под ред. Иллингуорт В., Глейзер Э., Пайл И. К.: Пер. с англ. Белоцкий А. К., Плахтия Ю. Н., Юсуфович Л. Б.. — М.: Машиностроение, 1991 — 560 с. ↑
Клаус Шваб. Четвертая промышленная революция. – М.: Эксмо, 2019. – 208 с. ↑
Даль В.И. Толковый словарь живого великорусского языка. – М.: ИГ «Весь», 2004. – 736 с. ↑
Гутер Р. С., Полунов Ю. Л. От абака до компьютера. – М.: Знание, 1981. – 240 с. ↑
Гашков С.Б. Системы счисления и их применение. – М.: МЦНМО, 2012 – 68 с. ↑
Бутру Э. Паскаль. Великий мыслитель XVII столетия – математик, физик и философ. – М.:Едиториал УРСС, 2019 – 216 с. ↑
↑
Погребысский И.Б. Готфрид Вильгельм Лейбниц. – М.: Наука, 1971, - 320 с. ↑
Келим Ю. М. Вычислительная техника. – М.: Academia, 2013, - 368 с. ↑
Герстнер Л. Кто сказал, что слоны не могут танцевать? Жестки реформы для выживания компании. М.: Альпина Паблишер. 2018, - 320 с. ↑
Хопкрофт Д., Мотвани Р., Ульман Д. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений – М.:Вильямс, 2019, - 528 с. ↑
Зайцев Г., Федюкин В., Атрошенко С. История техники и технологии. – М.: Политехника СПб, 2007, - 416 с. ↑