История развития средств вычислительной техники (Домеханический период)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Важной составляющей процесса вычислений и обработки данных является вычислительная техника. Вычислительная техника являются основой построения информационно-измерительных систем, используемых для решения важнейших научно-технических задач. Вычислительные устройства обеспечивают моделирование реальных радиотехнических комплексов в различных ситуациях, работу систем автоматизированного проектирования, управление сложными технологическими процессами.

Знание истории развития вычислительной техники и опыта работы в области компьютерной информатики являются необходимым компонентом компьютерной культуры.

Актуальность данной работы обусловлена большим интересом к данной теме. В современной науке, рассмотрение вопросов, связанных с этой темой, имеет как теоретическое, так и практическое значение.

Вопросам исследования посвящено множество научных трудов Громова А.Н., Полунова Ю. Л., Малиновского Б.Н., Смирнова Ю.М. В основном материал, изложенный в учебной литературе, носит общий характер, а в многочисленных монографиях по данной тематике рассмотрены более узкие вопросы данной проблемы.

Объектом исследования в данной курсовой работе является вычислительная техника.

Предметом исследования являются исторические этапы развития вычислительной техники.

Целью исследования является изучение темы истории развития вычислительной техники с точки зрения новейших отечественных и зарубежных исследований по сходной проблематике.

Исходя из поставленной цели данной работы можно выявить поставленные задачи:

1.Изучить как зарождалась вычислительная техника в домеханический период

2.Выявить предпосылки были для создания механических вычислительных машин.

3.Рассмотреть особенности создания вычислительных машин в электрический период.

4. Выделить основные этапы развития ЭВМ.

5.Определить перспективы развития вычислительной техники

Источниками информации для написания курсовой послужили базовая учебная литература, фундаментальные теоретические труды ученых в рассматриваемой области, результаты практических исследований видных отечественных авторов, научные статьи.

Работа имеет традиционную структуру и включает в себя введение, основную часть, состоящую из 3 глав, заключение и библиографический список.

1. Вычислительные устройства до появления ЭВМ

1.1 Домеханический период

История вычислительной техники восходит к истории человеческого развития. Накопление запасов, разделение производства, обмен - все эти действия связаны с расчетами. Для расчетов люди использовали собственные пальцы, камни, палки и множество других приспособлений. Необходимость поиска решений все более сложных задач и длительных вычислений обусловила необходимость поиска способов изобретения устройств для счета [10].

Счет на пальцах, несомненно, самый старый и простой способ вычисления [12]. Обнаруженная при раскопках так называемая «вестоницкая кость» с зарубками, оставленными древним человеком за 30 тысяч лет до нашей эры, позволяет историкам предположить, что уже тогда предки современного человека были знакомы с зачатками счета. Для многих народов пальцы остаются инструментом счета даже на более высоких уровнях развития. Среди этих народов были греки, которые очень долго считали на пальцах как практическое средство.

Чтобы сделать процесс счета более удобным, первобытный человек начал использовать маленькие камни вместо пальцев. Он построил пирамиду из камней и определил, сколько в ней камней, но если число было большим, то трудно было вычислить количество камней на глаз. Поэтому он начал строить меньшие пирамиды из камней того же размера, и из-за того, что руки имеют десять пальцев, пирамида была составлена ровно из десяти камней. Это был второй способ счета у древних [1].

Следующим шагом явилось создание древнейших известных счетов - «Саламинской доски» в честь названия острова Саламин в Эгейском море, который греки и западноевропейцы называли «абак», китайцы - «суан – пан», японцы – «серобян». Расчеты на них производились путем перемещения счетных костей и камней в полосовые углубления досок из бронзы, камня, слоновой кости, цветного стекла.

Счеты в своем первобытном виде представляли собой доску, посыпанную морским песком (позже она приняла форму доски, разделенной перегородками на колонны). На ней были нарисованы линии, разделяющие ее на колонны, и камешки были расположены в этих колоннах в соответствии с тем же позиционным принципом, по которому число помещается на наших счетах [7].

В 1654 году Роберт Биссакар и в 1657 году Роберт С. Партридж разработали прямоугольную логарифмическую линейку-счетный инструмент для упрощения вычислений, с помощью которого операции над числами заменяются операциями над логарифмами этих чисел [2]. Конструкция линейки сохранилась в основном до наших дней.

Простейшая логарифмическая линейка состоит из двух шкал на логарифмической шкале, которые могут перемещаться относительно друг друга. Более сложные линейки содержат дополнительные шкалы и прозрачный ползунок с несколькими рисками. На обратной стороне линейки может быть несколько справочных таблиц. Для того чтобы вычислить произведение двух чисел, начало подвижной шкалы совмещают с первым множителем на неподвижной шкале, а второй множитель находят на подвижной шкале. Расчеты с помощью логарифмической линейки просты, быстры, но приблизительны, поэтому она не подходит для точных, например, финансовых, расчетов [10].

1.2 Механический период

Эскиз механического тринадцатиразрядного суммирующего устройства с десятью колесами был разработан еще Леонардо да Винчи (1452- 1519). По этим чертежам в наши дни фирма IBM в целях рекламы построила работоспособную машину.

Первая механическая счетная машина была изготовлена в 1623 г. профессором математики Вильгельмом Шиккардом (1592-1636). В ней были механизированы операции сложения и вычитания, а умножение и деление выполнялось с элементами механизации. Но машина Шиккарда вскоре сгорела во время пожара. Поэтому биография механических вычислительных устройств ведется от суммирующей машины, изготовленной в 1642 г. Блезом Паскалем.

В 1673 г. другой великий математик Готфрид Лейбниц разработал счетное устройство, на котором уже можно было умножать и делить.

В 1880г. В.Т. Однер создает в России арифмометр с зубчаткой с переменным количеством зубцов, а в 1890 году налаживает массовый выпуск усовершенствованных арифмометров, которые в первой четверти 19-ого века были основными математическими машинами, нашедшими применение во всем мире. Их модернизация «Феликс» выпускалась в СССР до 50-х годов.

Мысль о создании автоматической вычислительной машины, которая бы работала без участия человека, впервые была высказана английским математиком Чарльзом Бэббиджем (1791-1864) в начале XIX в. В 1820-1822 гг. он построил машину, которая могла вычислять таблицы значений многочленов второго порядка.

Считается, что первую механическую машину, которая могла выполнять сложение и вычитание, изобрел в 1646г. молодой 18-летний французский математик и физик Блез Паскаль [10]. Формой своей машина напоминала длинный сундучок. Она была достаточно громоздка, имела несколько специальных рукояток, при помощи которых осуществлялось управление, имела ряд маленьких колес с зубьями. Первое колесо считало единицы, второе - десятки, третье - сотни и т.д. Сложение в машине Паскаля производится вращением колес вперед. Двигая их обратно, выполняется вычитание.

Следующим шагом было изобретение машины, которая могла выполнять умножение и деление. Такую машину изобрел в 1671 г. немец Готфрид Лейбниц. Хоть машина Лейбница и была похожа на машину Паскаля, она имела движущуюся часть и ручку, с помощью которой можно было крутить специальное колесо или цилиндры, расположенные внутри аппарата. Такой механизм позволил ускорить повторяющиеся операции сложения, необходимые для умножения. Само повторение тоже осуществлялось автоматически [4].

Французский механик Жозеф Жаккар создал первый образец машины, управляемой введением в нее информацией. В 1802 г. он построил машину, которая облегчила процесс производства тканей со сложным узором. При изготовлении такой ткани нужно поднять или опустить каждую из ряда нитей. После этого ткацкий станок протягивает между поднятыми и пущенными нитями другую нить. Затем каждая из нитей опускается или поднимается в определенном порядке и станок снова пропускает через них нить. Этот процесс многократно повторяется до тех пор, пока не будет получена нужная длина ткани с узором. Для задания узора на ткани Жаккар использовал ряды отверстий на картах. Если применялось десять нитей, то в каждом ряду карты предусматривалось место для десяти отверстий. Карта закреплялась на станке в устройстве, которое могло обнаруживать отверстия на карте. Это устройство с помощью щупов проверяло каждый ряд отверстий на карте. Информация на карте управляла станком [10].

В 1822 г. англичанин Чарльз Бэббидж построил счетное устройство, которое назвал разностной машиной. В эту машину вводилась информация на картах. Для выполнения ряда математических операций в машине применялись цифровые колеса с зубьями. Десять лет спустя Бэббидж спроектировал другое счетное устройство, гораздо более совершенное, которое назвал аналитической машиной.

В первой половине XIX века английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство - аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь выполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий, как в ткацких станках), и иметь “склад” для запоминания данных и промежуточных результатов (в современной терминологии - память) [6]. Бэббидж не смог довести до конца работу - она оказалась слишком сложной для техник того времени.

В конце XIX в. были созданы более сложные механические устройства. Самым важным из них было устройство, разработанное американцем Германом Холлеритом. Исключительность его заключалась в том, что в нем впервые была употреблена идея перфокарт и расчеты велись с помощью электрического тока. Это сочетание делало машину настолько работоспособной, что она получила широкое применение в своё время. Например, при переписи населения в США, проведенной в 1890 г., Холлерит, с помощью своих машин, смог выполнить за три года то, что вручную делалось бы в течении семи лет, причем гораздо большим числом людей [10].

Лишь спустя 100 лет машина Бэбиджа привлекла внимание инженеров. В конце 30-х годов 20 века немецкий инженер Конрад Цузе разработал первую двоичную цифровую машину Z1. В ней широко использовались электромеханические реле, то есть механические переключатели, приводимые в действие электрическим током. В 1941 г. Конрад Цузе создал машину Z3, полностью управляемую с помощью программы.

Большой толчок в развитии вычислительной техники дала вторая мировая война: американским военным понадобился компьютер [12].

В 1944 г. американец Говард Айкен на одном из предприятий фирмы ІВМ построил довольно мощную по тем временам вычислительную машину «Марк-1». В этой машине для представления чисел использовались механические элементы- счетные колеса, а для управления применялись электромеханические реле. Программа обработки данных вводилась с перфоленты. Размеры: 15 X 2,5 м., 750000 деталей. "Марк-1" мог перемножить два 23-х разрядных числа за 4 с.

1.3 Электромеханический период

К 30-м годам XX века стала очевидной связь между релейными схемами и алгеброй логики (булевой алгеброй), основы которой заложил английский математик и логик Джордж Буль (1815-1864 гг.) в работе 1847 г. «Математический анализ логики». Идеи своей алгебры он развил в вышедшей в свет в 1854 г. работе «Исследование законов мышления». Когда появилась принципиальная возможность создания средств вычислительной техники на электрической базе, логические операции, введенные Дж. Булем, оказались весьма полезны. Они изначально ориентированы на работу только с двумя сущностями: истина и ложь. Поэтому они пригодились для работы с двоичным кодом, который в вычислительных машинах представляется всего двумя сигналами: выключено и включено (ноль и единица) [12].

Начиная с 30-х гг. XX века появляются вычислительные машины, использующие логические схемы для электромагнитных реле и оперирующие перфокартами. Эти машины могли выполнять довольно сложные арифметические вычисления.

Первая удачная попытка построить универсальную цифровую машину была предпринята в 1937 г. в США математиком Говардом Айткеном. Эта машина получила название вычислительной машины с автоматическим управлением последовательностью операций и известна под именем «Марк-1». Над первым вариантом машины Г. Айткен работал до 1944 г., машина создавалась на базе фирмы IBM и имела программное управление, программа набиралась на коммутационных досках и переключателях.

Машина была выполнена на релейных и механических элементах. Это еще не была машина с хранимой и гибко изменяющейся программой, однако она уже показала возможность построения автоматических вычислительных машин, состоящих из большого числа логических элементов. Арифметическое и запоминающее устройства были выполнены на электромеханических устройствах. Основным логическим элементом в схемах, как и в СПМ, были реле. Посравнению с СПМ машина «Марк-1» имела достаточно длинную последовательность программных кодов и хорошее для своего времени быстродействие. Но, как и всякое механическое устройство, машина не обладала тем быстродействием, которое позволило бы осуществить качественный скачок в технологии вычислений. Улучшенная конструкция на реле повышенной надежности легла в основу ЦВМ «Марк-2» [7].

Наряду с работами Г. Айткена приблизительно в то же время велась работа других групп, в результате которой было создано еще несколько электромеханических релейных машин. Так, в 1939 г. была закончена и в 1940 г. демонстрировалась релейная машина американского математика Дж. Штибитца «Модель-Г», которая выполняла 4 арифметических действия над комплексными числами. Дальнейшая успешная разработка малых специализированных машин на тех же принципах привела к созданию в 1944-1946 гг. универсальной релейной вычислительной машины «Модель-V» [2].

В 1939 г. в США Дж. Стибниц закончил работу над релейной машиной фирмы «Белл», начатую в 1937 г. Машина выполняла арифметические операции над комплексными числами в двоично–пятеричной системе их представления. Это был релейный интерпретатор, управляемый программной перфолентой. В 1940 г. был проведен эксперимент по управлению на расстоянии вычислительной машиной «Белл-1». А в 1942 г. Дж. Стибниц сконструировал вычислительное устройство с программным управлением «Белл-2».

В 1940 г. в США под руководством Джона (Яноша) фон Неймана (1903-1957 гг.) разработан компьютер MANIAC (Mathematical Analyzer Numerical and Computer).

К первым универсальным ЦВМ с программным управлением на электромеханических элементах относят также машины, разработанные в Германии К. Зюсом к 1941 г. - «Зюс-2» и «Зюс-3». Машина «Зюс-3» была релейной, для нее был разработан язык программирования, она использовалась при расчетах ракет [10].

Одной из наиболее совершенных релейных вычислительных машин была советская машина РВМ-1, сконструированная в начале 50-х гг. выдающимся инженером Н.И. Бессоновым (1906–1963 гг.) и построенная в 1956 г. Эта машина успешно работала до 1966 года [10].

Главными недостатками релейных машин являлось отсутствие хранимой программы, что обусловливалось небольшим объемом оперативной памяти, и невысокая скорость работы, вызванная низким быстродействием электромеханических релейных переключателей [1].

Таким образом, на заре человеческой эры возник ручной этап в развитии компьютерной техники, который продолжался до середины XVII века. Позже, с формированием позиционных систем счисления, появились устройства (абак, счеты, позднее-логарифмическая линейка), позволяющие вычислять цифры.

Уровень развития науки в механический период позволил создать механические устройства, выполняющие основные арифметические операции и автоматически запоминающие высшие цифры.

Электромеханический этап-самый короткий из всех, что объединяет историю развития вычислительной техники, длился всего около 60 лет. Это промежуток между изобретением в 1887 и 1946 годах, когда появился самый первый компьютер (ENIAC). Новые машины, основанные на электрическом приводе и электрическом реле, позволяли производить расчеты с гораздо большей скоростью и точностью, но процесс подсчета все равно должен был контролироваться человеком.

2.Электронно-вычислительный период

2.1. Аналоговые вычислительные машины (АВМ)

Первая механическая вычислительная машина для решения дифференциальных уравнений при проектировании кораблей была построена А. Н. Крыловым в 1904. В основу её была положена идея интеграфа - аналогового интегрирующего прибора, разработанного польским математиком Абданк-Абакановичем (1878) для получения интеграла произвольной функции, вычерченной на плоском графике [10].

Дальнейшее развитие механических интегрирующих машин связано с работами американского учёного В. Буша, под руководством которого была создана чисто механическая интегрирующая машина (1931), а затем её электромеханический вариант (1942). В 1936 русский инженер Н. Минорский предложил идею электродинамического аналога. Толчок развитию современных АВМ постоянного тока дала разработка Б. Расселом (1942-44, США) операционного или решающего усилителя - усилителя постоянного тока, имеющего весьма высокий коэффициент усиления.

Большое значение имели работы советского математика С. А. Гершгорина (1927), заложившие основы построения сеточных моделей. В 1936 в СССР под руководством Исаака Брука были построены механический интегратор и электрический расчётный стол для определения стационарных режимов энергетических систем. В 40-х гг. была начата разработка электромеханического ПУАЗО на переменном токе и первых электронных ламповых интеграторов (Л. И. Гутенмахер). Работы, проведённые под руководством Гутенмахера (1945-46), привели к созданию первых электронных аналоговых машин с повторением решения. В 1949 в СССР под руководством В. Б. Ушакова, Трапезникова, Котельникова, С. А. Лебедева был построен ряд АВМ на постоянном токе. Эти работы положили начало развитию современной аналоговой вычислительной техники в СССР.

Аналоговые вычислительные машины предназначены в первую очередь для решения задач, описываемых системами дифференциальных уравнений: управление непрерывными процессами; моделирование в гидро и аэродинамике; исследование динамики сложных объектов, электромагнитных полей; оптимизация и оптимальное управление и др. [5]

В аналоговой вычислительной машине данные представлены с помощью аналоговых физических переменных (скорость, длина, напряжение, ток, давление), что является ее главным отличием от цифровой вычислительной машины. Однако АВМ не могут решать задачи, связанные с хранением и обработкой больших объемов информации различного типа, задачи, требующие высокой степени точности и т.д., которые легко обрабатываются цифровыми вычислительными машинами с использованием дискретной формы представления информации.

В АВМ напряжение электрической цепи выступает в роли машинной переменной. Их изменения происходят по тем же законам, что и изменения в указанных функциях. В этих машинах используется метод математического моделирования (создание модели исследуемого объекта). Результаты решения выводятся в виде зависимостей электрических напряжений в функции времени на экран осциллографа или регистрируются измерительными приборами. Основной целью АВМ является решение линейных и дифференциальных уравнений [8].

Преимущества АВМ включают в себя:

- высокую скорость решения задач, сравнимую со скоростью передачи электрического сигнала;

- простоту конструкции АВМ;

- простоту подготовки проблемы к решению;

- наглядность исследуемых процессов, возможность изменения параметров исследуемых процессов в ходе самого исследования [11].

К недостаткам АВМ можно отнести:

- низкую точность полученных результатов (до 10%);

- алгоритмические ограничения решаемых задач;

- ручной ввод проблемы, подлежащей решению в машине;

- задействованость большого количества оборудования, которое увеличивается с усложнением задачи [15].

2.2 Электронные вычислительные машины (ЭВМ)

ЭВМ появились тогда, когда возникла острая необходимость в очень трудоемких и точных расчетах, особенно в таких областях науки и техники, как атомная физика и теория динамики полета и управления летательными аппаратами, в изучении скоростной аэродинамики. Между тем, доэлектронная вычислительная техника (механическая и электромеханическая) позволяла лишь в ограниченной степени механизировать процесс вычислений. Необходимо было перейти к элементам, которые работают в более быстром темпе.

Технические предпосылки для этого уже были созданы: развивалась электроника и счетно-аналитическая вычислительная техника. В 1904 году Дж. Флеминг (Великобритания) изобрел первый ламповый диод, а в 1906 году, Ли де Форест (США) - первый триод. До середины 30-х годов электронные лампы уже стояли во всех радиотехнических устройствах. Но эра ЭВМ начинается с изобретения лампового триггера. Это открытие было сделано независимо друг от друга советским ученым М. А, Бонч-Бруевичем (1918) и английскими учеными У. Экклзом и Ф. Джорданом (1919). Триггерные схемы постепенно стали широко применяться в электронике для переключения и релейной коммутации [10].

В связи с тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию, выделяют следующие поколения ЭВМ.

Первое поколение охватывает период до 1955 года. Все ЭВМ первого поколения были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными - лампы приходилось часто менять. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Более того, каждая машина использовала свой собственный язык программирования. Набор команд был невелик, схема арифметико-логического устройства и устройства управления довольно проста, а программного обеспечения практически нет. Показатели объема оперативной памяти и производительности были низкими. Для ввода и вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Оперативные запоминающие устройства были реализованы на базе ртутных линий задержки электронно-лучевых трубок [9].

Эти неудобства были преодолены интенсивным развитием средств автоматизации программирования, созданием систем программ технического обслуживания, упрощающих работу на станке и повышающих эффективность его использования. Это, в свою очередь, потребовало существенных изменений в структуре ЭВМ, направленных на приближение ее к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации ЭВМ.

В 1946 году американские инженер-электронщик Дж. П. Эккерт и физик Дж.У. Моучли в Пенсильванском университете сконструировали, по заказу военного ведомства США, первую электронно-вычислительную машину – «Эниак». Которая предназначалась для решения задач баллистики. Она работала в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1», выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений многоразрядных чисел. Размеры этой машины были 30 метров в длину, объём - 85 метров3, вес - 30 тонн. Использовалось около 20000 электронных ламп.

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

В 1951 году была создана машина «Юнивак»- первый серийный компьютер с хранимой программой. В этой машине впервые была использована магнитная лента для записи и хранения информации.

Вводится в эксплуатацию БЭСМ-2(большая электронная счетная машина) с быстродействием около 10 тысяч операций в секунду над 39-разрядными двоичными числами. Оперативная память на электронно-акустических линиях задержки - 1024 слова, затем на электронно-лучевых трубках и позже на ферритовых сердечниках. ВЗУ состояло из двух магнитных барабанов и магнитной ленты емкость свыше 100 тысяч слов [14.]

На этом и закончился первый период развития ЭВМ. В эти годы в мире было созданы десятки ЭВМ.

Второе поколение развития ЭВМ охватывает период с 1958 г. по 1964 г. В 1958 году в ЭВМ были применены полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 году Уильямом Шокли, они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить примерно 40 электронных ламп и работает с большей скоростью. Во-втором поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты («БЭСМ-6», «Минск-2»,»Урал-14») и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.

В качестве программного обеспечения использовались высокоуровневые языки программирования, были написаны специальные переводчики с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: следующая команда начинала выполняться раньше, чем заканчивалась предыдущая. Был разработан широкий спектр библиотечных программ для решения различных математических задач. Появились мониторные системы, контролирующие режим трансляции и исполнения программ. Из систем мониторинга в дальнейшем выросли современные операционные системы. Машины второго поколения характеризовались программной несовместимостью, что затрудняло организацию больших информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов был намечен переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе [14].

К третьему поколению относят машины, выпущенные с 1964 г. по 1972 г. В 1960 году появились первые интегральные схемы (ИС), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. Интегральные схемы - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм2. Одна интегральная схема способна заменить десятки тысяч транзисторов. 1 кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный «Эниак». А компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду.

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

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

У машины третьего поколения появились развитые операционные системы. Они обладали возможностями мультипрограммирования, то есть одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина [2].

Примеры машин третьего поколения - семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и многие другие. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов [15].

2.3 Современные поколения ЭВМ

Четвёртое поколение - это современное поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года.

Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 интегральным схемам. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. В 1980 году центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма. БИСы применялись уже в таких компьютерах, как «Иллиак», «Эльбрус». Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. Емкость ОЗУ возросла до 500 млн. двоичных разрядов. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов [14].

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

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

Появление персонального компьютера прямо связано с рождением микрокомпьютера.

Персональный компьютер-это настольный или портативный компьютер, который использует микропроцессор в качестве единственного центрального процессора, выполняющего все логические и арифметические операции. Эти компьютеры классифицируются как вычислительные машины четвертого и пятого поколений. В дополнение к ноутбукам, портативные микрокомпьютеры включают карманные компьютеры палмтопы. Основными особенностями персонального компьютера являются шинная организация системы, высокая стандартизация аппаратного и программного обеспечения, ориентация на широкий круг потребителей [6].

С развитием полупроводниковых технологий персональный компьютер, получив компактные электронные компоненты, увеличил свою способность к вычислению и запоминанию. Совершенствование программного обеспечения облегчило работу с компьютерами людям с очень плохим пониманием компьютерных технологий.

Основными компонентами персонального компьютера являются : карта памяти и дополнительная оперативная память (ОЗУ); основная панель с микропроцессором (центральный процессор) и ОЗУ; интерфейс печатной платы; интерфейс платы дисковода; устройство дисковода (со шнуром), позволяющее считывать и записывать данные на магнитные диски; съемные магнитные или гибкие диски для хранения информации вне компьютера; панель для ввода текста и данных [11] .

С конца 80-х годов XX века в истории развития вычислительной техники наступило время пятого поколения машин. Проект машин пятого поколения разрабатывался ведущими японскими компаниями и научными организациями. Согласно этому проекту, компьютеры и компьютерные системы радикально отличаются от машин предыдущих поколений. Прежде всего, их структура отличается от предложенной Джоном фон Нейманом и содержит: коммуникационный блок, обеспечивающий интерфейс между пользователем и компьютером на языке, близком к естественному; база знаний, в которой хранится вся необходимая для решения задач информация о предметной области, к которой относятся эти задачи; решатель, который организует подготовку программы для решения задачи на основе знаний из базы знаний и исходных данных, полученных из коммуникационного блока [14].

Компьютеры пятого поколения должны самоорганизовываться в процессе решения задач, иметь собственную внутреннюю модель мира и активно взаимодействовать с внешней средой, распознавать образы, делать выводы из информации, уметь оперировать в нечетких ситуациях, дополнять имеющиеся знания (то есть обладать способностью к обучению), вести диалог с человеком на естественном речевом или графическом языках, обладать способностью понимать содержание базы знаний и использовать эти знания при решении задач [2].

Таким образом, модели и инструменты, разработанные в области искусственного интеллекта, широко используются в этих машинах. В частности, они широко используют языки, специфичные для представления знаний, модели знаний в виде семантических сетей, фреймов и продуктов.

Разработка машин пятого поколения базируется на СБИС, а также на переходе к супермикроэлектронике, где расстояния между элементами схемы будут меньше микрона, и на использовании достижений интегральной микрооптоэлектроники, в которой каналами связи являются световые лучи, а для преобразования электрических сигналов в световые и наоборот используются лазеры, световые и фотодиоды. Благодаря достижениям современной техники, только в компьютерах пятого поколения стало возможным технически реализовать идеи, высказанные в 70-е годы.

Отличительными особенности вычислительной техники пятого поколения являются:

- новая технология производства на основе новых материалов;

- отказ от традиционных языков высокого уровня (Fortran, Pascal и др.) в пользу языков с повышенными возможностями манипулирования символами и логическими элементами программирования (prologue, LISP);

- сосредоточенность на новых архитектурах ( например, архитектура потока данных) и отказ от структур фон Неймана;

-новые удобные для пользователя методы ввода и вывода (например, распознавание речи и изображений, синтез речи и обработка сообщений на естественном языке);

- искусственный интеллект, тесно связанный с исследованиями в области экспертных систем [2].

Таким образом, электронный этап развития вычислительной техники начался во второй половине прошлого века и продолжается по сей день. Это история пяти поколений электронных вычислительных машин-от самых первых гигантских блоков, в основе которых лежали электронные лампы, до супермощных современных суперкомпьютеров с огромным количеством параллельных процессоров, способных одновременно выполнять множество команд.

Подводя итог, можно сделать вывод, что этапы развития вычислительной техники делятся хронологически достаточно условно. В то время, когда использовались некоторые типы компьютеров, активно создавались предпосылки для появления следующих.

3. Перспектива развития вычислительной техники

3.1. Производство квантовых компьютеров

На сегодняшний день стремительный прогресс в развитии компьютерных технологий за последние десятилетия заставляет задуматься о будущем компьютеров.

Теория квантовых компьютеров является одной из современных отраслей квантовой механики и теории квантовых вычислений. Квантовая механика - это теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических экспериментах [3]. К сожалению, существующие квантовые системы пока не способны обеспечить надежные вычисления, поскольку они либо недостаточно управляемы, либо очень чувствительны к шуму. Однако никаких физических ограничений на создание эффективного квантового компьютера не будет. остается только преодолеть технологические трудности. Эти ограничения включают в себя ограничения в быстродействии и предел памяти [18].

В ноябре 2009 года физикам из Национального института стандартов и технологий в США впервые удалось собрать программируемый квантовый компьютер, состоящий из двух кубит. Канадская компания D -Wave заявила в феврале 2007 года о создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion). Однако информация об этом устройстве не отвечала строгим требованиям точного научного сообщения; новость не получила научного признания. Более того, дальнейшие планы компании (создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер) вызвали скепсис у членов экспертного сообщества. В ноябре 2007 года та же компания D-Wave продемонстрировала работу образца 28-кубитного компьютера онлайн на конференции, посвященной суперкомпьютерам. Данная демонстрация также вызвала определенного рода недоверие. В декабре 2008 года компания организовала проект распределенных вычислений (Adiabatic QUantum Algorithms), в котором тестируются алгоритмы, оптимизирующие вычисления на адиабатических сверхпроводящих квантовых компьютерах D-Wave [3].

3.2 Научные разработки молекулярных компьютеров

Основные компоненты молекулярного компьютера должны быть теми же, что и у обычного компьютера: система ввода информации, вычислительный блок (процессор), система хранения информации (память) и, наконец, система вывода информации. В качестве триггеров удобнее всего использовать молекулы, имеющие изомерные формы, которые обладают одинаковой молекулярной массой и составом, но различаются строением или расположением атомов в пространстве. Некоторые из них можно переводить из одной формы в другую путем внешнего воздействия. Например, молекула соединения типа спиробензипирана может быть переключена из состояния «0» в состояние «1» с помощью ультрафиолетового излучения, а в обратном направлении с помощью света видимого диапазона. На основе такого триггера можно строить как устройства оперативной памяти, так и элементы, выполняющие логические функции [13].

В последнее время в нескольких научных центрах разработаны и запатентованы переключающие элементы на зеркально симметричных -хиральных изомерах, которые также могут применяться для хранения и обработки информации: функции логических «0» и «1» выполняют «правая» и «левая» формы молекулы. Переключение такого триггера, называемого хироптическим, из одного состояния в другое производится при одновременном действии света и электрического поля: свет сообщает молекуле энергию, а электрическое поле задает направление переключения. Компания Hewlett-Packard объявила о своих успехах в изготовлении логических вентилей на основе молекул ротаксанов. Такой вентиль состоит из молекул двух типов: циклической (так называемой «бусины») и линейной («нити»). В работающем устройстве «бусина» оказывается нанизанной на «нить», располагаясь на ней в одном из двух возможных устойчивых положений. Переход из одного положения в другое, то есть переключение вентиля, происходит за счет изменения кислотно-щелочного баланса среды. Такой переход является обратимым, и им можно управлять с помощью электрических сигналов. В процессе переключения значительно сдвигается полоса поглощения света молекулами ротаксанов, что дает возможность считывать информацию оптическим способом. Молекулы ротаксанов могут быть объединены в полимерные цепи различной длины и сложности, которые будут выполнять логические функции за счет передачи сигнала переключения вдоль цепей [13].

Первые опыты с молекулярными устройствами еще не гарантируют появления таких компьютеров, однако это именно тот путь, который предначертан всей историей предыдущих достижений.

Молекулярные компьютеры - это вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (в основном органических). Молекулярные компьютеры используют идею вычисления расположения атомов в пространстве.

Хотя теоретические основы молетроники уже хорошо разработаны и созданы прототипы почти всех элементов логических схем, однако на пути реального построения молекулярного компьютера возникают значительные трудности. Кажущаяся очевидной возможность использования отдельных молекул в качестве логических элементов электронных устройств весьма проблематична в силу специфических свойств молекулярных систем и требований к логическим элементам [6].

Прежде всего, логический элемент должен обладать высокой надежностью работы при применении управляющего воздействия. Если рассматривать оптическую связь между элементами, то в системе одна молекула - один фотон надежность переключения будет низкой из-за относительно малой вероятности перехода молекулы в возбужденное состояние. Вы можете попытаться преодолеть эту трудность, используя большое количество квантов одновременно. Но это противоречит другому важному требованию: эффективность преобразования сигнала отдельным элементом должна быть близка к 1, то есть средняя мощность реакции должна быть соизмерима со средней мощностью воздействия. В противном случае при объединении элементов в цепочку вероятность их срабатывания будет уменьшаться по мере удаления от начала цепочки [16].

Кроме того, элемент должен четко переключиться в нужное состояние и оставаться в нем длительное время-до следующего удара. Для относительно простых молекул это требование обычно не выполняется: если переход в возбужденное состояние можно контролировать, то обратный переход может происходить самопроизвольно. При использовании больших органических молекул или их комплексов, в принципе, можно избежать этих трудностей. Эффективная работа будущего компьютера может быть достигнута путем объединения принципов молетроники и комбинированных вычислений, используемых в суперкомпьютерах. Эффективность не снизится, даже если один молекулярный вычислительный элемент не будет обладать надежностью своих кремниевых предшественников. Для этого нужно заставить несколько молекулярных логических элементов работать параллельно. Тогда неправильная работа одного из них не приведет к заметному сбою в расчетах [18].

Молекулярные устройства могут быть использованы в качестве селективных датчиков, которые реагируют только на определенный тип молекулы. Такие датчики необходимы в экологии, промышленности и медицине. Датчик, изготовленный из органических молекул, гораздо легче имплантировать в организм человека, чтобы следить за его состоянием [13].

Сегодня в мире существует более десятка научно-технических центров, занимающихся разработкой устройств молекулярной электроники. Развитие молекулярной электроники сегодня требует усилий широкого круга ученых, работающих в области академических знаний от коллоидной химии и биологии до теоретической физики, а также в области высоких технологий.

3.3 Развитие биокомпьютеров

Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки [13]. Пока эта чашка Петри, наполненная спиралями ДНК, или нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам. По существу, наши собственные клетки - это не что иное, как биомашины молекулярного размера, а примером биокомпьютера, конечно, служит наш мозг. Ихуд Шапиро (Ehud Shapiro) из Вейцманоского института естественных наук соорудил пластмассовую модель биологического компьютера высотой 30 сантиметров. Если бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул, его размер был бы равен размеру одного из компонентов клетки - 0,000025 миллиметров.

Современные достижения в области сборки молекул позволяют создавать устройства клеточного размера, которое можно применять для биомониторинга. Более традиционные ДНК-компьютеры в настоящее время используются для расшифровки генома живых существ. Пробы ДНК применяются для определения характеристик другого генетического материала: благодаря правилам спаривания спиралей ДНК, можно определить возможное расположение четырех базовых аминокислот (A, C, T и G) [16].

Чтобы давать полезную информацию, цепочки ДНК должны содержать по одному базовому элементу. Это достигается при помощи луча света и маски. Для получения ответа на тот или иной вопрос, относящийся к геному, может потребоваться до 80 масок, при помощи которых создается специальный чип стоимостью более 12 тысяч доллоров. Здесь-то и пригодилась микросхема DMD от Texas Instruments: ее микрозеркала, направляя свет, исключают потребность в масках.

Биологические компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, в отличие от кремниевых устройств, смогут искать нужные решения посредством самопрограммирования. Дитто намерен использовать результаты своей работы для создания мозга роботов будущего.

Однако в разработке биокомпьютеров ученые столкнулись с целым рядом серьезных проблем [13]. Первая связана со считыванием результата - современные способы секвенирования (определения кодирующей последовательности) не совершенны: нельзя за один раз секвенировать цепочки длиной хотя бы в несколько тысяч оснований. Кроме того, это весьма дорогостоящая, сложная и трудоемкая операция. Вторая проблема - ошибки в вычислениях. Для биологов точность в 1 процент при синтезе и секвенировании оснований считается очень хорошей. Для ИТ она неприемлема: решения задачи могут потеряться, когда молекулы просто прилипают к стенкам сосудов; нет гарантий, что не возникнут точечные мутации в ДНК и многого другого.

Биокомпьютеры не рассчитаны на широкие массы пользователей, но ученые надеются, что они найдут свое место в медицине и фармации. С помощью клеточных компьютеров станет возможным объединение информационных и биотехнологий. Например, они смогут управлять химическим заводом, регулировать биологические процессы внутри человеческого организма, производить гормоны и лекарственные вещества и доставлять к определенному органу необходимую дозу лекарств [16].

Таким образом, развитие современных компьютерных технологий уже позволяет говорить о компьютерах шестого поколения. Это электронные и оптоэлектронные вычислительные машины, работающие на десятках тысяч микропроцессоров, характеризующиеся массовым параллелизмом и моделирующие архитектуру нейронных биологических систем, что позволяет им успешно распознавать сложные изображения. Последовательно рассмотрев все этапы развития вычислительной техники, стоит отметить интересный факт: изобретения, зарекомендовавшие себя в каждом из них, сохранились до наших дней и продолжают успешно использоваться.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современная вычислительная техника представляет собой одно из самых значительных достижений человеческой мысли, влияние которого на развитие научно-технического прогресса трудно переоценить. Область применения ЭВМ огромна и непрерывно расширяется.

На сегодняшний день сложно представить себе решение сложных вычислительных задач и выполнение операций, которые, на первый взгляд, совсем не связаны с числами, без помощи ЭВМ. Необходимость в расчётах существовала во все времена. В далёком прошлом считали на пальцах или делали насечки на костях. На стадии становления человеческой цивилизации, где-то около 4000 лет назад, были изобретены уже довольно сложные системы счисления, с помощью которых осуществлялись торговые сделки, рассчитывались астрономические циклы и проводились другие вычисления. Первые ручные вычислительные инструменты появились лишь спустя тысячелетия.

Современные вычислительные машины представляют одно из самых значительных достижений человеческой мысли, влияние которого на развитие научно-технического прогресса трудно переоценить. Области применения ЭВМ непрерывно расширяются. Этому в значительной степени способствует распространение персональных ЭВМ, и особенно микроЭВМ. За время, прошедшее с 50-х годов, цифровая ЭВМ превратилась из дорогого, уникального и перегретого нагромождения электронных ламп, проводов и магнитных сердечников в небольшую по размерам машину - персональный компьютер - состоящий из миллионов крошечных полупроводниковых приборов, которые упакованы в небольшие пластмассовые коробочки. В результате этого превращения компьютеры стали применяться повсюду. Устройство будущих компьютеров будет основано на применении главным образом передовых отраслей широкого спектра научных дисциплин (молекулярная электроника, молекулярная биология, робототехника), а также квантовой механики,органической химии. Для их производства будут необходимы значительные экономические затраты.

Компьютер будущего должен облегчить и упростить жизнь человека ещё в десятки раз.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Апонин И.А. История вычислительной техники/ И.А. Апонин.-М: Наука, 2008.-843с.

2.Астафьева В. В. История развития вычислительной техники / В. В. Астафьева. - Текст : непосредственный // Молодой ученый. - 2020. - № 3 (293). - С. 16-19.

3.Валиев К.А., Кокин А.А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. Регулярная и хаотическая динамика. - М., Ижевск, 2001. - 350 с.

4.Громов А.Н. Основы информатики и вычислительной техники/ А.Н. Громов. -М: ЮНИТИ, 1994,-118с.

5.Емельянова С.В. Вычислительные системы. Нанотехнологии. Прикладные аспекты информатики. - М.: Ленанд, 2012. - 108 c.

6. Каймин В.А. Информатика: Учебник для вузов / В.А. Каймин. - М.: ИНФРА-М, 2017. - 272 c.

7.Конев Ф.Б. История развития компьютерной техники и информационных технологий: учебное пособие / Ф. Б. Конев. - Москва: Изд-во МГОУ, 2010. - 77 с.

8.Крайзмер Л.П. Информатика и вычислительная техника / Л.П. Крайзмер. - М.: Лениздат, 2017. - 270 c.

9.Ларионов А.М.. Единая система - М.: Статистика, 2015. - 136 c.

10 Малиновский Б.Н. История вычислительной техники в лицах. - Калининград: КИТ,1995. - 384 с

11.Мелехин В.Ф. Вычислительные машины, системы и сети / В.Ф. Мелехин. - М.: Академия, 2017. - 304 c.

12.Полунова Ю.Л От абака до компьютера: судьбы людей и машин Т. 1. М. : Русская Редакция- 2004. - 478 с.

13.Рамбиди Н.Г Нанотехнологии и молекулярные компьютеры / Н. Г. Рамбиди. - М: Физматлит, 2007. - 255 с.

14.Сенкевич А.В. Архитектура ЭВМ и вычислительные системы: Учебник / А.В. Сенкевич. - М.: Академия, 2018. - 320 c

15.Смирнов Ю. М. Вычислительная техника в автоматизированных системах: Учебное пособие ЛГУ /Под ред. Р. А. Нелепина / Смирнов Ю. М. - 1987. - 106 с.

16.Тимофеев А.В. Информатика и компьютерный интеллект / А.В. Тимофеев. - М.: Педагогика, 2017. - 128 c

17.Топчеев Ю. И. История создания цифровых механических и электромеханических вычислительных машин // История науки и техники. - 2002. - №2. - с. 48-58.

18.Холево А. С. Квантовая информатика: прошлое, настоящее, будущее / А. С. Холево // В мире науки. - 2018. -№ 7. С. 68-75.