История развития средств вычислительной техники.(Счет в древнем мире)

Содержание:

Введение.

В творческой деятельности инженера или ученого большое значение имеет не только умение видеть ростки нового, но и правильно оценивать старое. В процессе развития техники происходят постоянные замены одного вида технических объектов другими, более соответствующими новым потребностям.

Принимая во внимание спиралевидную форму исторического развития, трудно переоценить важность знания путей эволюции выбранного объекта изучения. При этом, точка исхода и точка возврата не совпадают, повторяемость не абсолютна, а относительна, частична и, естественно, нет никакой предопределенности или мистического возвращения в прошлое. Любая позиция на данном витке спирали находится над соответствующей позицией предшествующего витка.

Согласно теме курсового проекта, рассмотрим путь развития средств вычислительной техники с древних времен до наших дней и попробуем предугадать дальнейшее направление развития.

Справедливо, что рассмотрение вопроса следует начать с момента, когда у человека появилась потребность выражать и запоминать количество. Следующим этапом стало изобретение чисел и систем счисления. С ходом развития математики возникла необходимость производить большое количество вычислений, и как результат, изобретение логарифмических таблиц и логарифмических линеек, что существенно повлияло на скорость выполнения математических вычислений. Развитие механики дало толчок к изобретению механических счетных приспособлений. Открытие электрического тока повлекло за собой развитие электромеханических и релейных вычислительных машин. Открытия в физике позволили создавать электронные системы, появление ламповых ЭВМ. Открытие полупроводниковых эффектов, так называемая «Великая кремневая революция», обозначило дальнейшее направление развития электронных вычислительных машин. Научные исследования в области квантовой физики позволили вывести вычислительные машины на качественно новый уровень развития. Но не только физика обозначает пути развития ВТ, но и такая, казалось бы, далекая от средств вычисления наука как биология дала путь к становлению совершенно новой ветви развития вычислительных машин-биокомпьютеров.

Развитие средств вычислений непосредственно связано с развитие науки во всех отрослях.

1. Счет в древнем мире

С самого раннего этапа развития человечество столкнулось с неизбежностью ответа на вопрос «сколько?». Ответом на этот вопрос будет то или иное число.

Изначально для подсчета использовались пальцы на руках. Таким образом, рука человека стала первой «счетной машиной». Пока человек занимался охотой и собирательством, количества пальцев на руках и ногах вполне хватало для обозначения количества. Все, что выходило за количество пальцев обозначалось как «много» или «очень много».

По мере роста потребностей человека его хозяйственная деятельность увеличивалась. Стало развиваться земледелие и скотоводство. Для подсчета собранного урожая, количества животных стало необходимо вести подсчет в более широких пределах. Так для подсчета количества стали использовать мешочки с камнями, палки с зарубками, канавки на земле с расположенными в них определенным образом камешками. Зарубки и камешки стали располагать определенными группами. Так подошли к следующей очень важной вехе в истории развития человечества- изобретение чисел.

2. Изобретение чисел

Распределение количественных показателей (камушков, зарубок) на группы послужило созданием систем исчисления. Логично предположить, что группы по количеству пальцев на руках привело к созданию десятичной системы исчисления. Вместе с этим стало необходимо производить запись количества. Так были изобретены цифры.

Цифры были изобретены относительно поздно. Родиной цифр является Индия. В V веке в Индии было открыто и формализовано понятие нуля. От индийцев цифры распространились через Иран к арабам, и затем уже арабы занесли их в Европу. Мы называем их арабскими цифрами, когда в действительности эти цифры индийские.

Арабские цифры были видоизменёнными изображениями индийских цифр, приспособленными к арабскому письму.

Впервые индийскую систему записи использовал арабский ученый Мухаммед ибн Муса аль-Хорезми, автор знаменитой Кита боль Джебр ва-ль-Мукабаля, от названия которой произошел термин «алгебра». В Европе арабские цифры стали известны в X-XIII вв.

Римские цифры появились около 500 лет до н.э. у этрусков. Использовались древними римлянами в своей непозиционной системе счисления. Натуральные числа записываются при помощи повторения этих цифр.

3 Системы счисления

Для дальнейшего рассмотрения темы остановимся на рассмотрении наиболее распространённых систем счисления.

Системой счисления называют совокупность приемов и правил наименования и обозначения чисел, с помощью которых можно установить взаимно однозначное соответствие между любым числом и его представлением в виде совокупности конечного числа символов.

Так система счисления дает нам представление множества чисел, отражает алгебраическую и арифметическую структуру чисел, дает каждому числу уникальное представление.

Системы счисления разделяются на три группы: позиционные, непозиционные, смешанные. Так как наиболее распространенной является позиционная система, рассмотрим ее более подробно отметив, что примером смешанной системы являются денежные знаки, а непозиционной система римских цифр.

Позиционная система обладает тем чрезвычайно выгодным свойством, что все числа, и малые и большие, могут быть записаны с помощью небольшого числа различных символов; в десятичной системе таковыми являются «арабские цифры» 0, 1, 2, . . . , 9. Не меньшее значение имеет и легкость счета в этой системе. Правила действий с числами, записываемыми по позиционному принципу, могут быть резюмированы в виде таблиц сложения и умножения и могут быть раз навсегда выучены на память.

Стоит рассмотреть наиболее важные для нас системы: десятичная-используется десять цифр для записи чисел. Двоичная запись с применением 1 и 0, восьмеричная 1-8, шестнадцатеричная 0-9 A-F. Последние три системы используются в основном для общения человека с вычислительными машинами. Двоичная система наиболее приемлема для вычислительной техники так как для ее реализации нужны технические устройства с двумя устойчивыми состояниями. Представление информации посредством только двух состояний надежно и помехоустойчиво. Возможно применение булевой алгебры для логических преобразований информации. Но для восприятия человеком двоичная система имеет один существенный недостаток это быстрый рост числа разрядов, необходимых для записи чисел.

Перевод чисел из десятичной системы в двоичную и наоборот выполняет машина. Но для того, чтобы профессионально использовать компьютер необходимо понимать слова машины. В этом случае на помощь приходят восьмеричная и шестнадцатеричная системы. Числа в этих системах, при определенном навыке, читаются так же легко, как десятичные.

4 История зарождения вычислительной техники.

Историю развития можно разделить на два этапа ручной- с древних времен до н.э. и механический-с середины XVII века н.э.

Первыми приспособлениями для вычислений были счетные палочки, которые и сегодня используются в начальных классах многих школ для обучения счету. Развиваясь, эти приспособления становились более сложными, например, такими как финикийские глиняные фигурки, предназначаемые для наглядного представления количества считаемых предметов.

Абак-счетная доска применялась в Древней Греции, Древнем Риме приблизительно с IV века до н.э. В России в середине XVI-XVII веков на основе абака было разработано другое приспособление – русские счеты. На счетах можно было производить не только сложение и вычитание, но и деление и умножение. Счеты сохранили свою актуальность и на сегодняшний день. Опытный счетовод мог получить результат вычислений быстрее нерасторопного владельца калькулятора.

Постепенно из простейших приспособлений рождались все более и более сложные устройства.

5 Изобретение логарифмических таблиц, логарифмическая линейка

Отдельно хотелось бы поговорить о не механических приспособлениях позволяющих производить сложные математические вычисления. К ним относятся логарифмические таблицы, логарифмические линейки и номограммы.

Все три типа вычислителей появились практически в одно время с 1614 по 1623гг.

Начнем по порядку с логарифмических таблиц. Еще в VIII веке индийский математик Вирасена, исследуя степенные зависимости, опубликовал таблицу целочисленных показателей для оснований 2, 3, 4.

Решающий шаг был сделан в средневековой Европе. В конце XVI века нескольким математикам почти одновременно пришла идея заменить трудоемкое умножение на простое сложение, сопоставив с помощью специальных таблиц геометрическую и арифметическую прогрессии, при этом геометрическая будет исходной. Тогда и деление автоматически заменяется на неизмеримо более простое и надежное вычитание, упростятся также возведение в степень и извлечение корня.

Первым эту идею опубликовал в своей книге Михаэль Штифель в 1544 году, который, впрочем, не приложил серьезных усилий для практической реализации своей идеи. Главной заслугой Штифеля является переход от целых показателей степени к произвольным рациональным (первые шаги в этом направлении сделал Николай Орем в XIV веке и Никола Шюке в XV веке).

В 1614 году шотландский математик-любитель Джон Непер опубликовал на латинском языке сочинение под названием «Описание удивительной таблицы логарифмов». В нем было краткое описание логарифмов и их свойств, а также 8-значные таблицы логарифмов синусов, косинусов и тангенсов, с шагом 1’. Термин логарифм, предложенный Непером, утвердился в науке. Теорию логарифмов Непер изложил в другой своей книге «Построение удивительной таблицы логарифмов», изданной посмертно в 1619 году его сыном Робертом.

Судя по документам, техникой логарифмирования Непер владел уже к 1594 году. Непосредственной целью ее разработки было облегчить Неперу сложные астрологические расчеты, именно поэтому в таблицы были включены только логарифмы тригонометрических функций.

Как вскоре обнаружилось, из-за ошибок в алгоритме все значения таблицы Непера содержали неверные цифры после шестого знака. Однако это не помешало новой методики вычислений получить широчайшую популярность, и составлением логарифмических таблиц занялись многие европейские математики.

Кеплер в изданный им астрономический справочник 1620 года вставил восторженное посвящение Неперу (не зная, что изобретатель логарифмов уже скончался). В 1624 году Кеплер опубликовал свой собственный вариант логарифмических таблиц. Использование логарифмов позволило Кеплеру относительно быстро завершить многолетний труд по составлению Рудольфинских таблиц, которые закрепили успех гелиоцентрической астрономии. Спустя несколько лет после книги Непера появились логарифмические таблицы, использующие более близкое к современному понимание логарифма. В 1617 году лондонский профессор Генри Бригс издал 14-значные таблицы десятичных логарифмов, причем не для тригонометрических функций, а для произвольных целых чисел до 1000 (7 лет спустя Бригс увеличил количество чисел до 20000).

В 1619 году лондонский учитель математики Джон Спайделл переиздал логарифмические таблицы Непера, исправленные и дополненные так, что они стали фактически таблицами натуральных логарифмов. У Спайделла тоже были и логарифмы самих чисел до 1000 (причем логарифм единицы, как и у Бригса, был равен нулю)-хотя масштабирование до целых чисел Спайделл сохранил.

Изобретателями первых логарифмических линеек являются англичане-математик и педагог Уильям Отред и учитель математики Ричард Деламейн.

Сын священника, Уильям Отред учился сначала в Итоне, а затем в Кембриджском королевском колледже, специализировался в области математики. В 1595 году Отред получил первую ученую степень и вошел в совет колледжа. Ему было тогда чуть больше двадцати лет. Позже Отред стал совмещать занятия математикой с изучением богословия и в 1603 году стал священником. Вскоре он получил приход в Олбьюри, близ Лондона, где и прожил большую часть жизни. Однако настоящим призванием этого человека являлось преподавание математики.

Летом 1630 года у Отреда гостил его ученик и друг, лондонский учитель математики Уильям Форстер. Коллеги разговаривали о математике и, как бы сказали сегодня, о методике ее преподавания. В одной из бесед Отред критически отозвался о шкале Гюнтера, отметив, что манипулирование двумя циркулями отнимает много времени и дает низкую точность.

Валлиец Эдмунд Гюнтер построил логарифмическую шкалу, которая использовалась с двумя циркулями-измерителями. Шкала Гюнтера представляла собой отрезок с делениями, соответствующими логарифмам чисел или тригонометрических величин. С помощью циркулей-измерителей определяли сумму или разность длин отрезков шкалы, что в соответствии со свойствами логарифмов позволяло находить произведение или частное.

Гюнтер ввел также общепринятое теперь обозначение log и термины косинус и котангенс.

Первая линейка Отреда имела две логарифмические шкалы, одна из которых могла смещаться относительно другой, неподвижной. Второй инструмент представлял собой кольцо, внутри которого вращался на оси круг. На круге, (снаружи) и внутри кольца были изображены «свернутые в окружность» логарифмические шкалы. Обе линейки позволяли обходиться без циркулей.

В 1632 году в Лондоне вышла книга Отреда и Форстера «Круги пропорций» с описанием круговой логарифмической линейки (уже иной конструкции), а описание прямоугольной логарифмической линейки Отреда дано в книге Форстера «Дополнение к использованию инструмента, называемого «Кругами пропорций», вышедшей в следующем году. Права на изготовление своих линеек Отред передал известному лондонскому механику Элиасу Аллену.

Линейка Ричарда Деламейна (который был в свое время ассистентом Отреда), описанная им в брошюре «Граммелогия, или Математическое кольцо», появившейся в 1630 году, тоже представляла собой кольцо, внутри которого вращался круг. Потом эта брошюра с изменениями и дополнениями идавалась еще несколько раз. Деламейн описал несколько вариантов таких линеек (содержащих до тринадцати шкал). В специальном углублении Деламейн поместил специальный указатель, способный двигаться вдоль радиуса, что облегчало использование линейки.

Предлагались и другие конструкции. Деламейн не только представил описания линеек, но и дал методику градуировки, предложил способы проверки точности и привел примеры использования своих устройств.

По всей видимости, Уильям Отред и Ричард Деламейн изобрели логарифмическую линейку независимо друг от друга.

А в 1654 году англичанин Роберт Биссакер предложил конструкцию прямоугольной логарифмической линейки, общий вид которой сохранился до нашего времени.

6 Изобретение арифмометров и суммирующих машин

Прогресс, как известно не стоит на месте и на смену таблицам и линейкам приходят механические вычислительные устройства. Данный этап развития вычислительной техники можно назвать механическим. Рассмотрим некоторые образцы этих машин и историю их созданий.

Счетная машина Шиккарда.

Первая механическая машина была описана в 1623 г. профессором математики Тюбингенского университета Вильгельмом Шиккардом, реализована в единственном экземпляре и предназначалась для выполнения четырех арифметических операций над 6-разрядными числами.

Машина Шиккарда состояла из трех независимых устройств: суммирующего, множительного и записи чисел. Сложение производилось последовательным вводом слагаемых посредством наборных дисков, а вычитание - последовательным вводом уменьшаемого и вычитаемого. Для выполнения операции умножения использовалась идея умножения решеткой. Третья часть машины использовалась для записи числа длиною не более 6 разрядов. Использованная принципиальная схема машины Шиккарда явилась классической - она (или ее модификации) использовалась в большинстве последующих механических счетных машин вплоть до замены механических деталей электромагнитными. Однако из-за недостаточной известности машина Шиккарда и принципы ее работы не оказали существенного влияния на дальнейшее развитие ВТ, но она по праву открывает эру механической вычислительной техники.

Машина Паскаля.

Первая действующая модель счетной суммирующей машины была создана в 1642 г. знаменитым французским ученым Блезом Паскалем. Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение костяшек в абаковидных инструментах на вращательное движение оси (колеса), так что в его машине сложению чисел соответствовало сложение пропорциональных им углов.

Принцип действия счетчиков в машине Паскаля прост. В основе его лежит идея обыкновенной зубчатой пары - двух зубчатых колес, сцепленных между собой. Для каждого разряда имеется колесо (шестеренка) с десятью зубцами. При этом каждый из десяти зубцов представляет одну из цифр от 0 до 9. Такое колесо получило название "десятичное счетное колесо".

С прибавлением в данном разряде каждой единицы счетное колесо поворачивается на один зубец, т. е. на одну десятую оборота. Требуемую цифру можно установить, поворачивая колесо до тех пор, пока зубец, представляющий эту цифру, не встанет против указателя или окошка. Например, три колеса показывают число 285. Мы можем прибавить к этому числу 111, повернув каждое колесо вправо на один зубец. Тогда против окошек встанут соответственно цифры 3, 9, 6, образуя сумму чисел 285 и 111, т. е. 396. Задача теперь в том, как осуществить перенос десятков. Это одна из основных проблем, которую пришлось решать Паскалю. Наличие такого механизма позволило бы вычислителю не тратить внимание на запоминание переноса из младшего разряда в старший.

Машина, в которой сложение выполняется механически, должна сама определять, когда нужно производить перенос. Допустим, что мы ввели в разряд девять единиц. Счетное колесо повернется на 9/10 оборота. Если теперь прибавить еще одну единицу, колесо "накопит" уже десять единиц. Их надо передать в следующий разряд. Это и есть передача десятков. В машине Паскаля ее осуществляет удлиненный зуб. Он сцепляется с колесом десятков и поворачивает его на 1/10 оборота. В окошке счетчика десятков появится единица - один десяток, а в окошке счетчика единиц снова покажется нуль.

Механизм переноса действует только в одном направлении вращения колес и не допускает выполнения операции вычитания вращением колес в обратную сторону. Поэтому Паскаль заменил операцию вычитания операцией сложения с десятичным дополнением. Пусть, например, необходимо из числа 285 вычесть 11. Метод дополнения приводит к действиям: 285-11=285-(100-89) = 285+89-100=274. Нужно только не забывать вычесть 100. Но на машине, имеющей определенное число разрядов, об этом можно не заботиться. Вот как будет выполняться эта операция в шестиразрядной машине: 000285+999989=1000274; при этом единица слева выпадает, так как переносу из шестого разряда некуда деться.

Машина Паскаля была практически первым суммирующим механизмом, построенным на совершенно новом принципе, при котором считают колеса. Она производила на современников огромное впечатление, о ней слагались легенды, ей посвящались поэмы. Все чаще с именем Паскаля появлялась характеристика "французский Архимед". До нашего времени дошло только 8 машин Паскаля, из которых одна является 10-разрядной.

Труды Паскаля оказали заметное влияние на весь дальнейший ход развития вычислительной техники. Они послужили основой для создания большого количества всевозможных систем суммирующих машин.

То, что сейчас будет сказано, вероятно, многим покажется неправдоподобным. Но как это ни удивительно, факт остается фактом: универсальная автоматическая машина, в структуру которой уже входили почти все основные части современных ЭВМ, была изобретена еще в тридцатых годах XIX века. И сейчас мы можем лишь поражаться, что такая гигантская работа, - а это был, без преувеличений, переворот в вычислительной технике - могла быть совершена практически одним человеком.

Имя этого человека, которому суждено было открыть новую и, пожалуй, наиболее яркую страницу в истории вычислительной техники – Чарльз Бэббидж. За свою долгую жизнь (1792-1871) кембриджский профессор математики сделал немало открытий и изобретений, значительно опередивших его время. Круг интересов Бэббиджа был чрезвычайно широк, и все же главным делом его жизни, по словам самого ученого, были вычислительные машины, над созданием которых он работал около 50 лет.

Машина Бэббиджа.

В 1822 г. Бэббидж приступил к осуществлению проекта так называемой разностной машины, предназначенной для расчета навигационных и астрономических таблиц. Машину эту строили десять лет, но так и не закончили. Финансовые трудности усугублялись тем, что изобретатель постоянно пересматривал конструкцию и вносил в нее бесчисленные усовершенствования.

Разностная машина Бэббиджа-это, конечно, шаг вперед по сравнению с простыми суммирующими устройствами, но и она обладала ограниченными возможностями. Пользуясь современной терминологией, можно сказать, что она представляла собой устройство с фиксированной программой действий. Чтобы перейти от вычисления одной функции к другой, необходимо вмешательство человека: он должен ввести в регистры машины новые исходные данные. Эту операцию Бэббидж пытался автоматизировать, но к тому времени у него возникла идея создания другой, более совершенной машины.

И вот в 1833 г., приостановив работы над разностной машиной, Бэббидж начал осуществлять проект универсальной автоматической машины для любых вычислений. Это устройство, обеспечивающее автоматическое выполнение заданной программы вычислений, он назвал аналитической машиной.

Аналитическая машина, которую сам изобретатель, а затем его сын, строили с перерывами в течение 70 лет, так и не была построена. Изобретение это настолько опередило свое время, что идеи, заложенные в нем, удалось реализовать лишь в середине XX века в современных ЭВМ. Но какое удовлетворение испытал бы этот замечательный ученый, узнав, что структура вновь изобретенных почти через столетие универсальных вычислительных машин, по существу, повторяет структуру его аналитической машины.

Аналитическая машина Бэббиджа представляла собой единый комплекс специализированных блоков. По проекту она включала следующие устройства. Первое - устройство для хранения исходных данных и промежуточных результатов. Бэббидж назвал его "складом"; в современных вычислительных машинах устройство такого типа называется памятью или запоминающим устройством.

Для хранения чисел Бэббидж предложил использовать набор десятичных счетных колес. Каждое из колес могло останавливаться в одном из десяти положений и таким образом запоминать один десятичный знак. Колеса собирались в регистры для хранения многоразрядных десятичных чисел. По замыслу автора запоминающее устройство должно было иметь емкость в 1000 чисел по 50 десятичных знаков "для того, чтобы иметь некоторый запас по отношению к наибольшему числу, которое может потребоваться". Для сравнения скажем, что запоминающее устройство одной из первых ЭВМ имело объем 250 десятиразрядных чисел.

Для создания памяти, где хранилась информация, Бэббидж использовал не только колесные регистры, но и большие металлические диски с отверстиями. В памяти на дисках хранились таблицы значений специальных функций, которые использовались в процессе вычислений.

Второе устройство машины - устройство, в котором осуществлялись необходимые операции над числами, взятыми из "склада". Бэббидж назвал его "фабрикой", а сейчас подобное устройство называется арифметическим. Время на производство арифметических операций оценивалось автором: сложение и вычитание - 1с; умножение 50-разрядных чисел - 1 мин; деление 100-разрядного числа на 50-разрядное - 1 мин.

И наконец, третье устройство машины - устройство, управляющее последовательностью операций, выполняемых над числами. Бэббидж назвал его "конторой"; сейчас оно - устройство управления.

Управление вычислительным процессом должно было осуществляться с помощью перфокарт - набором картонных карточек с разным расположением пробитых (перфорированных) отверстий. Карты проходили под щупами, а они, в свою очередь, попадая в отверстия, приводили в движение механизмы, с помощью которых числа передавались со "склада" на "фабрику". Результат машина отправляла обратно на "склад". С помощью перфокарт предполагалось также осуществлять операции ввода числовой информации и вывода полученных результатов. По сути дела, этим решалась проблема создания автоматической вычислительной машины с программным управлением.

В 1843 г. Адой Лавлейс для машины Бэббиджа была написана первая в мире достаточно сложная программа вычисления чисел Бернулли. Однако ее основная заслуга состоит не только в создании программы, но и в полном и доступном описании машины, а также анализе ее возможностей для решения различных вычислительных задач. Наряду с этим, Лавлейс проводила широкую популяризацию идей Бэббиджа, сама проектировала некоторые узлы машины и исследовала вопросы применения двоичной системы счисления, а также высказывает ряд идей, получивших широкое применение только в наше время.

Проект аналитической машины не был реализован, но получил весьма широкую известность и заслужил высокую оценку целого ряда ученых, в первую очередь, математиков. Механические устройства оказались попросту непригодными для осуществления такого грандиозного для того времени плана. Разве могла механика с ее трущимися шестернями и неповоротливыми рычагами воплотить красивейшие схемы, которые спустя десятилетия оказались под силу лишь электронным элементам?

Машина Лейбница.

Машина, созданная Лейбницем в 1694 г., давала возможность механического выполнения операции умножения без последовательного сложения и вычитания. Главной частью ее был так называемый ступенчатый валик - цилиндр с зубцами разной длины, которые взаимодействовали со счетным колесом. Передвигая колесо вдоль валика, можно было его ввести в зацепление с необходимым числом зубцов и обеспечить установку определенной цифры.

Арифметическая машина Лейбница была, по существу, первым в мире арифмометром - машиной, предназначенной для выполнения четырех арифметических действий, позволяющей использовать 8-разрядное множимое и 9-разрядный множитель с получением 16-разрядного произведения. По сравнению с машиной Паскаля было создано принципиально новое вычислительное устройство, существенно ускоряющее выполнение операций умножения и деления. Однако, несмотря на все остроумие его изобретателя, арифмометр Лейбница не получил распространения по двум основным причинам: отсутствие на него устойчивого спроса и конструкционной неточности, сказывающейся при перемножении предельных для него чисел.

Но основная идея Лейбница - идея ступенчатого валика оказалась весьма плодотворной. Вплоть до конца XIX века конструкция валика совершенствовалась и развивалась различными изобретателями механических машин.

Прочие машины.

Во второй половине XIX века появилось целое поколение механических счетных машин. Здесь и "вычислительный снаряд" Слонимского, и оригинальные счетные машины Фельта, Берроуза, Боле, и арифмометр П. Л. Чебышёва.

О машине, построенной великим русским математиком и механиком П. Л. Чебышевым, следует сказать особо. Дело в том, что во всех предыдущих конструкциях перенос десятков из низшего разряда в высший происходил скачкообразно, после того как десяток уже накапливался. В арифмометре Чебышева был использован новый принцип - непрерывная передача десятков. Принцип этот состоит в том, что шестеренка единиц, делая один оборот, поворачивает шестеренку десятков на 1/10 оборота, а шестеренку сотен на 1/100 и т. д. Этим обеспечивается плавное изменение угла поворота всех колес, вступающих во взаимодействие.

Лишь много лет спустя, с применением электропривода, оригинальные идеи, заложенные в конструкции Чебышева, нашли свое признание. Непрерывная, плавная передача позволяла значительно увеличить скорость работы механических устройств с большей надежностью.

На принципе ступенчатого валика Лейбница был построен в 1820 г. арифмометр Томаса - первая счетная машина, которая изготовлялась серийно.

Несколько позже, в 1974 г., петербургским механиком Вильгодтом Однером была создана новая конструкция числового колеса с выдвижными зубьями. Число выдвинутых зубьев определялось углом поворота установочного рычажка до соответствующей цифры на шкале. Колесо Однера оказалось настолько совершенным, что не претерпело принципиальных изменений до наших дней. Арифмометр "Феликс", являющийся модификацией арифмометра Однера, выпускался у нас в стране вплоть до 50-х годов.

7 Электромеханические машины

Как преддверием эпохи электронных вычислительных машин можно рассматривать электромеханические вычислительные машины.

Как ни блестящ был век механических арифмометров, но и он исчерпал свои возможности. Людям нужны были более энергичные помощники. Это заставило изобретателей искать пути совершенствования вычислительной техники, но уже не на механической, а на электромеханической основе.

Небольшой моторчик освободил вычислителя от необходимости крутить ручку, да и скорость счета увеличилась. Сам механизм счетного устройства, поначалу остававшийся неизменным, стал также постепенно модернизироваться. Рычажный набор, который осуществлял медленную установку чисел и приводил к значительному проценту ошибок, заменили более удобным - клавишным. Появились машины, записывающие результат на бумажной ленте, а также другие комбинации счетных и пишущих устройств. Это был уже новый шаг - механизация вычислений, но не их автоматизация. Управление процессом счета все еще ложилось на плечи человека.

Электромеханический этап развития вычислительной техники явился наименее продолжительным и охватывает всего около 60 лет - от первого табулятора Г. Холлерита (1887 г.) до первой ЭВМ ENIAC (1946 г.).

Предпосылками создания проектов данного этапа явились как необходимость проведения массовых расчетов (экономика, статистика, управление и планирование, и др.), так и развитие прикладной электротехники (электропривод и электромеханические реле), позволившие создавать

Комплекс Холлерита.

Классическим типом средств электромеханического этапа был счетно-аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации на перфокарточных носителях.

Первый такой комплекс был создан в США Г. Холлеритом в 1887 г. и состоял из ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Он предназначался для обработки результатов переписи населения в нескольких странах, в том числе и в России.

В конце XIX в. перепись населения как одна из важнейших статистических задач проводилась регулярно - через 10 лет, это требование статистики строго соблюдали все развитые страны. Обработка полученных данных проводилась в течение нескольких лет, как правило, вручную или с помощью механических вычислительных машин. Причем статистиков уже не удовлетворяли данные только о количестве населения. Необходимы были сведения о национальности, родном языке, возрасте, поле, вероисповедании. Для этого необходимо было классифицировать собранный материал и выполнить счет по различным признакам. При этом объем работы настолько увеличивался, что выполнить его оперативно и качественно на механических арифмометрах или суммирующих машинах оказалось невозможным, - потребовалось создание нового специального класса вычислительных машин, получивших название счетно-аналитических, а с начала 1960-х гг. - перфорационных.

Впервые проблемой механизированной обработки статистической информации занялся талантливый американский изобретатель Герман Холлерит. Его трудовая деятельность началась в Бюро цензов США. Это статистическое управление при министерстве внутренних дел занималось проведением переписей населения и обработкой результатов. Здесь в 1880 г. Холлерит познакомился с доктором Джоном Биллингсом, который сыграл важную роль в его дальнейшей судьбе, предложив заняться исследованиями в области механизированной обработки статистических данных и использовать в качестве основного элемента записи информации, получаемой в процессе переписей и ее последующей обработки, перфорированные карты.

Г. Холлерит долго придерживался другой точки зрения, он был уверен, что наиболее эффективно использовать для записей статистических данных перфоленты и придумал конструкцию специального барабана, на который наматывалась перфолента, и счетчиками отсчитывались отверстия. И все-таки изобретатель был вынужден признать свою идею несостоятельной, т. к. перфолента не способствовала оперативной работе с той или иной записью на длинной бумажной ленте. Он вернулся к предложению Дж. Биллингса и разработал специальную перфокарту, куда в виде пробивок наносились все данные об одном человеке.

Идея перфокарт уже была известна в мире и нашла практическое применение в ткацких станках Ж. Жаккара (1804) и вычислительной машине Ч. Бэббиджа (1833). Не исключено, что Г. Холлерит знал об этом, но как он сам вспоминал, к этой идее его подтолкнула работа кондуктора. Оказывается, в США, чтобы предотвратить мошенничество на железных дорогах и кражу билетов, кондукторы "записывали" физические особенности пассажиров (цвет волос, глаз и т. п. ) компостером в специально отведенных местах на билете.

Замысел Г. Холлерита состоял в том, чтобы на каждого человека завести личную карточку и все подлежащие обработке данные представить отверстиями в фиксированных местах (позициях). Эта перфокарта по виду была не похожа на железнодорожный билет или уже известные карты, а являлась оригинальной авторской запатентованной разработкой. Она была сделана из плотного картона размером приблизительно с долларовую бумажку, но размер карточки мог колебаться в зависимости от количества позиций, каждая из которых отвечала за определенный признак (пол, семейное положение, вероисповедание и т. д.), например в австрийской переписи 1890 г. применялись перфокарты, имеющие 20х12 позиций, в российской переписи 1897 г. - 22х12 позиций.

Сведения заносились на перфокарту вручную с помощью пробивного устройства - пантографа или перфоратора. На лицевой панели перфоратора имеется таблица признаков в виде карты-шаблона с отверстиями по всей координатной сетке, над которой по радиусу перемещается рычаг со штифтом на конце. Если в специальную раму для карточки положить чистую перфокарту и опустить штифт в отверстие, соответствующее какому-либо признаку, то специальное устройство в раме в той же позиции перфокарты пробьет идентичный признак. За час на перфораторе можно заполнить не более 80 карточек.

Теперь можно было либо подсчитать отверстия на всех перфокартах на основной машине - табуляторе, либо распределить их по тому же принципу на сортировке.

Табулятор (электромеханическая машина), внешне напоминающий бюро, работал от больших электрических батарей. На передней панели - электромеханические счетчики, по 10 штук в каждом горизонтальном ряду емкостью 10 000 единиц. Число горизонтальных рядов могло быть от 4 до 12. На столе справа - воспринимающий пресс, который считывает данные с перфокарт и передает их на табулятор или сортировальную машину. В верхней (подвижной) части пресса находятся металлические иголочки на пружинках, их расположение и число соответствует центрам чашечек с ртутью в нижней (неподвижной) части пресса. При считывании данных с перфокарты ее укладывают в пресс и вручную опускают верхнюю часть пресса. В местах пробивок иглы свободно проходят, достигая ртути, цепь замыкается, сигнал от чашечки по проводам поступает к счетчику. Каждой чашке соответствует свой счетчик, на лицевой стороне которого циферблат на 100 делений и две стрелки (большая показывает единицы и десятки, маленькая - сотни). Часовой механизм приводится в движение маленьким электромагнитом. Счетчики съемные, результаты сбрасываются поворотом стрелок вручную. По окончании обработки карточек на табуляторе каждый счетчик показывает, сколько раз в его позиции замыкалась электрическая цепь через отверстие в перфокарте, и подводятся простые итоги по одному признаку. Для статистических исследований большое значение имеют комбинации разных признаков, например пола с возрастом, с образованием и т. д. В таком случае прямое электрическое соединение ртутных чашечек со счетчиками не решит задачу - необходимо дополнительное использование сортировальной машины, которая работала совместно с табулятором, и наличие электромагнитных реле. Электромагнитные реле, известные с 1831 г., до Г. Холлерита не применялись в счетной технике. В необходимом количестве (не более 120 штук) реле устанавливали на задней панели табулятора. В сортировальной машине они располагались в каждой из 26 ячеек для отсортированных перфокарт и соединялись электропроводами со счетчиками табулятора. Скорость обработки карточек на табуляторе составляла 1000 штук в час.

Итак, управление механическими счетчиками и сортировкой осуществлялось электрическими импульсами, возникающими при замыкании электрической цепи при наличии отверстия в перфокарте. Импульсы использовались и для ввода чисел, и для управления работой машины. Поэтому машина Г. Холлерита была признана первой электромеханической счетной машиной с программным управлением. Она представляла собой комплект устройств (перфоратора, сортировальной машины и табулятора) различного функционального назначения, но связанных между собой технологически процессом обработки информации. Счетная машина задумывалась Г. Холлеритом как Census Machine (машина для переписи). Она по праву считается "первой статистической".

Машина Тьюринга.

Алан Мэтисон Тьюринг - выдающийся английский математик, совершивший грандиозное открытие, которое положило начало компьютерной эре. В свои неполные 24 года он мысленно сконструировал абстрактный механизм, призванный решить одну из фундаментальных проблем математики, поставленную знаменитым немецким профессором Давидом Гильбертом в 1900 г. на парижском Международном конгрессе математиков. Тем самым Тьюринг не только дал четкий ответ на эту конкретную задачу, но и - что гораздо важнее - сформировал научную основу алгоритма и предвосхитил архитектуру современных компьютеров. Более того, сама идея решения задач путем конструирования абстрактных механизмов, исполняемых на электронных устройствах, стала важнейшей для зарождения новой профессиональной сферы интеллектуальной деятельности - программирования. 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".

Машина Тьюринга 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 Тьюринга 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). Еще надо договориться, с чего начинается и когда кончается работа.

Таким образом, чтобы задать машину Тьюринга, надо указать следующие объекты:

• произвольное конечное множество A (алфавит); его элементы называются символами;
• некоторый выделенный символ a0 из A (пробел, или пустой символ);
• конечное множество S, называемое множеством состояний;
• некоторое выделенное состояние s0 из S, называемое начальным;
• таблицу переходов, которая определяет поведение машины в зависимости от состояния и текущего символа (см. ниже);
• некоторое подмножество F, входящее в S, элементы которого называются заключительными состояниями (попав в такое состояние, машина останавливается).

Таблица переходов устроена следующим образом: для каждой пары (текущее состояние, текущий символ) указана тройка (новое состояние, новый символ, сдвиг). Здесь сдвиг одно из чисел -1 (влево), 0 (на месте) и 1 (направо). Таким образом, таблица переходов есть функция типа S x A -> S x A x {-1,0,1}, определенная на тех парах, в которых состояние не является заключительным.

Остается описать поведение машины Тьюринга. В каждый момент имеется некоторая конфигурация, складывающаяся из содержимого ленты (формально говоря, содержимое ленты есть произвольное отображение Z -> A), текущей позиции головки (некоторое целое число) и текущего состояния машины (элемент S). Преобразование конфигурации в следующую происходит по естественным правилам: мы смотрим в таблице, что надо делать для данного состояния и для данного символа, то есть выясняем новое состояние машины, меняем символ на указанный и после этого сдвигаем головку влево, вправо или оставляем на месте. При этом если новое состояние является одним из заключительных, работа машины заканчивается. Остается договориться, как мы подаем информацию на вход машины и что считается результатом ее работы. Будем считать, что алфавит машины, помимо пробела, содержит символы 0 и 1 (а также, возможно, еще какие-то символы). Входом и выходом машины будут конечные последовательности нулей и единиц (двоичные слова). Входное слово записывается на пустой ленте, головка машины ставится в его первую клетку, машина приводится в начальное состояние и запускается. Если машина останавливается, результатом считается двоичное слово, которое можно прочесть, начиная с позиции головки и двигаясь направо (пока не появится символ, отличный от 0 и 1).

Детерминированность машины Тьюринга породила ложные представления об истинных возможностях компьютеров и воззрениях самого Алана Тьюринга.Немногие знают, что в 1951 г. Тьюринг выступил в Манчестере с лекцией "Интеллектуальные машины. Еретическая теория" (развитие его работы 1948 г.). Он сказал: "Моя точка зрения такова: можно сконструировать машины, которые весьма близко смогут моделировать поведение человеческого разума. Порой они будут ошибаться, а иногда смогут выдавать новые весьма интересные утверждения, и в целом их выводы будут заслуживать внимания в такой же степени, как и сделанные человеческим разумом. Данное утверждение основывается на ожидаемой большой частоте истинных утверждений, и я думаю, что ему нельзя дать строгое обоснование".

Тьюринг отмечает в своей лекции важнейший момент: "Я уверен, что опасность того, что математик сделает ошибку, является неизбежным следствием его способности порой находить принципиально новый метод. Похоже, это подтверждается хорошо известным фактом, что наиболее надежные люди обычно не обнаруживают действительно новых методов". Вот он, ключ к разгадке тайн мышления. Как ни парадоксально, именно возможность ошибок в мыслительном процессе машины открывает перспективы ее интеллектуальной мощи. Тьюринг завершает свою лекцию пророчеством: "Нужно было бы приложить массу усилий, пытаясь, скажем, мыслить на равных с машиной, поскольку представляется вероятным, что как только начнется машинный способ мышления, ему не потребуется много времени, чтобы превзойти наши слабые мыслительные способности. Не возникал бы вопрос о смерти машин, и они могли бы быть способны общаться друг с другом, оттачивая свой разум. Таким образом, на некотором этапе мы могли бы ожидать, что машины получат власть, как описано в "Эрехоне" Сэмюэла Батлера".

Машина Поста.

Эмиль Пост предложил абстрактную вычислительную машину - машину Поста. Она отличается от машины Тьюринга большей простотой. Обе машины "эквивалентны" и были созданы для уточнения понятия "алгоритм".

Машина Поста состоит из каретки (или считывающей и записывающей головки) и разбитой на секции ленты, считающейся условно бесконечной в обе стороны. В каждой клетке может быть записан символ из фиксированного алфавита. В любой конкретный момент головка обозревает одну клетку и способна работать только с ней.

Работа машины Поста определяется программой с конечным числом строк. Программы состоит из команд, имеющих по 3 поля, в которых записываются: № команды, операция и отсылка.

Для машины Поста определены операции 6 видов:

1. Движение головки на 1 клетку вправо.
2. Движение головки на 1 клетку влево.
3. Запись метки.
4. Удаление метки.
5. Условный переход по метке.
6. STOP - остановка (завершение работы машины Поста);

Для работы машины нужно задать программу и ее начальное состояние (т. е. состояние ленты и позицию каретки). После запуска возможны варианты:

• работа может закончиться невыполнимой командой (стирание несуществующей метки или запись в помеченное поле);
• работа может закончиться командой Stop;
• работа никогда не закончится.

Выделим основные успехи электромеханического этапа развития вычислительной техники. Прежде всего, существенно возросли производительность и надежность вычислительной техники, на что повлияла не только более быстрая элементная база, но и сокращение ручного труда. Во-вторых, на данном этапе развития вычислительной техники происходит индустриализация обработки информации. Особенно это было заметно по концентрации вычислительных мощностей в СССР, начиная с создания в 30-х годах машинно-счетных стаций, которые к 1936 году превратились в крупнейшие в мире предприятия механизированного учета. Впоследствии эти станции явились основой создания современных вычислительных центров и коллективного пользования вычислительных центров, оборудованных ЭВМ различных типов и классов. 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 ВТ - электронного.

8 Аналоговые вычислительные машины

Стоит поговорить об отдельной ветви развития вычислительной техники-аналоговых вычислительным машинах.

При работе аналоговый компьютер имитирует процесс вычисления, при этом характеристики, представляющие цифровые данные, в ходе времени постоянно меняются.

Результатом работы аналогового компьютера являются либо графики, изображённые на бумаге или на экране осциллографа, либо электрический сигнал, который используется для контроля процесса или работы механизма.

Эти компьютеры идеально приспособлены для осуществления автоматического контроля над производственными процессами, потому что они моментально реагируют на различные изменения во входных данных. Такого рода компьютеры широко используются в научных исследованиях. Например, в таких науках, в которых недорогие электрические или механические устройства способны имитировать изучаемые ситуации.

В ряде случаев с помощью аналоговых компьютеров возможно решать задачи, меньше заботясь о точности вычислений, чем при написании программы для цифровой ЭВМ. Например, для электронных аналоговых компьютеров без проблем реализуются задачи, требующие решения дифференциальных уравнений, интегрирования или дифференцирования. Для каждой из этих операций применяются специализированные схемы и узлы, обычно с применением операционных усилителей. Также интегрирование легко реализуется и на гидравлических аналоговых машинах.

Все АВМ можно разделить на две основных группы:

• Специализированные — предназначены для решения заданного узкого класса задач (или одной задачи);
• Универсальные — предназначены для решения широкого спектра задач.

9 Релейные вычислительные машины

Это первый шаг к цифровым вычислительным машинам. Вычисления производились с применением булевой алгебры. Как не странно, но история релейных вычислительных машин напрямую связана с телефонией. Проследим развитие этих машин.

В 1910 году у Готтхильфа Бетуландера (Gotthilf Betulander), инженера Royal Telegrafverket — государственной корпорации, контролировавшей большую часть шведского телефонного рынка (в течение десятилетий — почти весь), — возникла идея. Он верил, что может очень сильно улучшить эффективность операций Telegrafverket за счёт строительства автоматических коммутационных систем, полностью основанных на реле. Точнее, на релейных матрицах: решётках из стальных прутьев, подключённых к телефонным линиям, с реле в местах пересечения прутьев. Такой коммутатор должен работать быстрее, надёжнее и быть проще в обслуживании по сравнению с системами на основе скользящих или вращающихся контактов.

Более того, Бетуландер придумал, что можно выделить части системы, отвечающие за выбор и соединение, в независимые релейные схемы. А оставшаяся часть системы должна использоваться только для установки речевого канала, а затем освобождаться для обслуживания другого вызова. То есть Бетуландер пришёл к идее, которую позднее назвали «общее управление» (common control).

Схему, хранящую номер входящего вызова, он назвал «рекордер» (другой термин — регистр). А схему, которая находит в решётке и «помечает» доступное подключение, назвал «маркер».

В 1918-м Бетуландер узнал об американском нововведении: координатном коммутаторе, созданном инженером Bell Джоном Рейнольдсом пять лет назад. Этот коммутатор очень походил на разработку Бетуландера, но в нём использовалось n + m реле для обслуживания n + m узлов матрицы, что было гораздо удобнее для дальнейшего расширения телефонных станций. При установке соединения удерживающая рейка зажимала «пальцы» из рояльных струн, а выбирающая рейка перемещалась по матрице для соединения с другим вызовом. На следующий год Бетуландер внедрил эту идею в конструкцию своего коммутатора.

В 1936-м Клоду Шеннону было всего 20 лет, но он уже окончил Мичиганский университет со степенью бакалавра по двум специальностям: электротехнике и математике.

Шеннон сконцентрировался на преобразовании данных с бумажной ленты в инструкции для «мозга», и за эту операцию отвечала релейная схема. Он обратил внимание на соответствие между структурой схемы и математическими структурами булевой алгебры, которую он изучал в выпускном классе в Мичигане. Это алгебра, чьими операндами были ИСТИНА и ЛОЖЬ, а операторами —И, ИЛИ, НЕ и т. д. Алгебра, соответствовавшая логическим утверждениям.

Потратив лето 1937-го на работу в Bell Labs на Манхэттене (идеальное место для размышлений над релейными схемами), Шеннон написал магистерскую диссертацию под названием «Символический анализ релейных и коммутационных схем» (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Наряду с работой Алана Тьюринга, созданной за год до этого, диссертация Шеннона сформировала фундамент науки вычислительных машин.

Шеннон обнаружил, что систему уравнений пропозициональной логики можно напрямую механистически преобразовать в физическую схему релейных переключателей. Он заключил: «Фактически любую операцию, которая может быть описана конечным количеством шагов с использованием слов ЕСЛИ, И, ИЛИ и т. д., можно автоматически выполнить с помощью реле». Например, два управляемых реле переключателя, соединённые последовательно, формируют логическое И: ток будет течь по главному проводу только тогда, когда оба электромагнита активированы на закрытие переключателей. В то же время два реле, соединённые параллельно, формируют ИЛИ: ток течёт по главной схеме, активированный одним из электромагнитов. Выходные данные такой логической схемы могут, в свою очередь, управлять электромагнитами других реле, чтобы получить более сложные логические операции вроде (А И Б) или (В И Г).

Шеннон завершил диссертацию приложением с несколькими примерами схем, созданных по его методу. Поскольку операции булевой алгебры очень похожи на арифметические операции в двоичной системе (т. е. с использованием двоичных чисел), он показал, как можно собрать из реле «электрический сумматор в двоичной системе» — мы называем это двоичным сумматором. Несколько месяцев спустя один из учёных Bell Labs сделал такой сумматор на кухонном столе.

Джордж Штибиц (George Stibitz), исследователь из математического отдела штаб-квартиры Bell Labs на Манхэттене, тёмным ноябрьским вечером 1937-го принёс домой странный набор оборудования. Сухие аккумуляторные ячейки, две маленькие лампочки для аппаратных щитов и пару плоских реле Type U, найденных в мусорном баке. Добавив несколько проводов и кое-какой хлам, он собрал устройство, которое могло складывать два одноразрядных двоичных числа (представляемых с помощью наличия или отсутствия входного напряжения) и выводить двухразрядное число с помощью лампочек: единица — включено, ноль — выключено.

Штибица, физика по образованию, попросили оценить физические свойства релейных магнитов. Ранее он вообще не имел опыта работы с реле и поэтому начал с изучения их использования в телефонных схемах Bell. Вскоре Джордж заметил сходство между некоторыми схемами и арифметическими операциями с двоичными числами. Заинтригованный, он собрал на кухонном столе свой побочный проектик.

Сначала баловство Штибица с реле вызвало мало интереса у руководства Bell Labs. Но в 1938 году глава исследовательской группы спросил Джорджа, могут ли его калькуляторы использоваться для арифметических операций с комплексными числами (например, a + bi, где i — квадратный корень отрицательного числа). Оказалось, несколько вычислительных отделов в Bell Labs уже стонали из-за того, что им постоянно приходилось умножать и делить такие числа. Умножение одного комплексного числа требовало четырёх арифметических операций на настольном калькуляторе, деление — 16 операций. Штибиц сказал, что может решить проблему, и разработал схему машины для таких вычислений.

Окончательную конструкцию, которую воплотил в металле телефонный инженер Сэмюэль Уильямс (Samuel Williams), назвали Complex Number Computer — или Complex Computer для краткости — и запустили в работу в 1940-м. Для вычислений использовалось 450 реле, промежуточные результаты сохранялись в десяти координатных переключателях. Данные вводились и принимались с помощью рулонного телетайпа. В департаментах Bell Labs установили три таких телетайпа, что говорит о больших потребностях в вычислительных мощностях. Реле, матрица, телетайпы — во всех отношениях это был продукт системы Bell.

Звёздный час Complex Computer пробил 11 сентября 1940-го. Штибиц представил отчёт о компьютере на встрече Американского математического общества в Дартмутском колледже. Он договорился, что там же будет установлен телетайп с телеграфным подключением к Complex Computer на Манхэттене, в 400 километрах. Желающие могли подойти к телетайпу, ввести на клавиатуре условия задачи и увидеть, как меньше чем через минуту телетайп волшебным образом печатает результат. Среди тех, кто испытал новинку, были Джон Моучли (John Mauchly) и Джон фон Нейман (John von Neumann), каждый из которых сыграет важную роль в продолжении нашей истории.

Участники встречи увидели краткий проблеск будущего мира. Позднее компьютеры стали так дороги, что администраторы уже не могли позволить им стоять без дела, пока пользователь чешет подбородок перед консолью управления, размышляя, что набрать дальше. Следующие 20 лет учёные станут думать, как создать компьютеры общего назначения, которые всегда будут ожидать, чтобы вы ввели в них данные, даже работая при этом над чем-то ещё. И потом пройдёт ещё 20 лет, пока этот интерактивный режим вычислений не станет в порядке вещей.

С началом Второй мировой в Bell под руководством Штибица была создана серия компьютеров с названиями Model II, Model III и Model IV (Complex Computer, соответственно, получил имя Model I). Большинство из них построили по требованию Национального исследовательского комитета по вопросам обороны, а возглавлял его не кто иной, как Вэнивар Буш. Штибиц улучшил схему машин с точки зрения большей универсальности функций и программируемости.

Allistic Calculator (позднее — Model III) разрабатывался для нужд систем управления зенитной стрельбой. Его запустили в эксплуатацию в 1944-м в Форте Блисс, Техас. Устройство содержало 1400 реле и могло выполнять программу математических операций, определяемую последовательностью инструкций на закольцованной бумажной ленте. Отдельно подавалась лента с входными данными, отдельно — табличные данные. Это позволяло быстро находить значения, к примеру, тригонометрических функций без настоящих вычислений. Инженеры Bell разработали специальные поисковые схемы (hunting circuits), которые сканировали ленту вперёд/назад и искали адрес нужного табличного значения независимо от вычислений. Штибиц установил, что его компьютер Model III, день и ночь щёлкающий реле, заменял 25—40 вычислительниц.

Машина Model V уже не успела побывать на военной службе. Она стала ещё универсальнее и мощнее. Если оценивать в количестве заменяемых ею вычислителей, то она примерно в десять раз превосходила Model III. Несколько вычислительных модулей с 9 тысячами реле могли получать входные данные с нескольких станций, где пользователи вводили условия разных задач. Каждая такая станция имела один ленточный считыватель для ввода данных и пять для инструкций. Это позволяло при вычислении задачи с основной ленты вызывать различные подпрограммы. Главный управляющий модуль (по сути, аналог операционной системы) распределял инструкции по вычислительным модулям в зависимости от их доступности, а программы могли выполнять условные переходы. Это был уже не просто калькулятор.

1937 год можно считать поворотным моментом в истории вычислительных машин. В тот год Шеннон и Штибиц заметили сходство между релейными схемами и математическими функциями. Эти выводы привели Bell Labs к созданию целой серии важных цифровых машин. Это была своего рода экзаптация— или даже замещение, — когда скромное телефонное реле, не меняя физической формы, стало воплощением абстрактной математики и логики.

В том же году в январском номере издания Proceedings of the London Mathematical Society вышла статья британского математика Алана Тьюринга «О вычислимых числах применительно к проблеме разрешения» (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). В ней была описана универсальная вычислительная машина: автор утверждал, что она могла бы выполнять действия, логически эквивалентные действиям людей-вычислителей. Тьюринг, который в предыдущем году поступил в аспирантуру Принстонского университета, также был заинтригован релейными схемами. И, как и Буш, обеспокоен нарастающей угрозой войны с Германией. Поэтому он взялся за сторонний криптографический проект — двоичный умножитель, который можно было использовать для шифрования военных сообщений. Тьюринг построил его из реле, набранных в университетском механическом цехе.

В том же 1937-м Говард Эйкен (Howard Aiken) размышлял о предполагаемой автоматической вычислительной машине. Гарвардский аспирант-электротехник Эйкен выполнял немалую долю вычислений с помощью одного лишь механического калькулятора и печатных книг с математическими таблицами. Он предложил конструкцию, которая избавляла бы от этой рутины. В отличие от существовавших вычислительных устройств, она должна была автоматически и циклично обрабатывать процессы, используя результаты предыдущих вычислений в качестве входных данных для следующих.

Тем временем в Nippon Electric Company телекоммуникационный инженер Акира Накашима (Akira Nakashima) ещё с 1935 года исследовал связи между релейными схемами и математикой. Наконец, в 1938-м он самостоятельно доказал эквивалентность релейных схем булевой алгебре, которую Шеннон обнаружил годом ранее.

В Берлине Конрад Цузе (Konrad Zuse), бывший авиаинженер, уставший от бесконечных вычислений, которые требовались на работе, искал средства на создание второй вычислительной машины. Ему не удалось заставить надёжно работать своё первое механическое устройство — V1, поэтому он хотел сделать релейный компьютер, который и разработал в соавторстве со своим другом, телекоммуникационным инженером Гельмутом Шрейером (Helmut Schreyer).

Универсальность телефонных реле, выводы о математической логике, желание ярких умов избавиться от отупляющей работы — всё это переплелось и привело к возникновению представления о логической машине нового типа.

10 Первые ЭВМ

В конце XIX века Герман Холлерит в Америке изобрел счетно-перфорационные машины. В них использовались перфокарты для хранения числовой информации.

Каждая такая машина могла выполнять только одну определенную программу, манипулируя с перфокартами и числами, пробитыми на них.

Счетно-перфорационные машины осуществляли перфорацию, сортировку, суммирование, вывод на печать числовых таблиц. На этих машинах удавалось решать многие типовые задачи статистической обработки, бухгалтерского учета и другие.

Г. Холлерит основал фирму по выпуску счетно-перфорационных машин, которая затем была преобразована в фирму IBM — ныне самого известного в мире производителя компьютеров.

Непосредственными предшественниками ЭВМ были релейные вычислительные машины.

К 30-м годам XX века получила большое развитие релейная автоматика, которая позволяла кодировать информацию в двоичном виде.

В процессе работы релейной машины происходят переключения тысяч реле из одного состояния в другое.

В первой половине XX века бурно развивалась радиотехника. Основным элементом радиоприемников и радиопередатчиков в то время были электронно-вакуумные лампы. 

Электронные лампы стали технической основой для первых электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Первая ЭВМ— универсальная машина на электронных лампах построена в США в 1945 году.

Эта машина называлась ENIAC (расшифровывается так: электронный цифровой интегратор и вычислитель). Конструкторами ENIAC были Дж.Моучли и Дж.Эккерт.

Скорость счета этой машины превосходила скорость релейных машин того времени в тысячу раз.

Первый электронный компьютер ENIAC программировался с помощью штеккерно-коммутационного способа, то есть программа строилась путем соединения проводниками отдельных блоков машины на коммутационной доске.

Эта сложная и утомительная процедура подготовки машины к работе делала ее неудобной в эксплуатации.

Основные идеи, по которым долгие годы развивалась вычислительная техника, были разработаны крупнейшим американским математиком Джоном фон Нейманом

В 1946 году в журнале «Nature» вышла статья Дж. фон Неймана, Г. Голдстайна и А. Беркса «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства».

В этой статье были изложены принципы устройства и работы ЭВМ. Главный из них — принцип хранимой в памяти программы, согласно которому данные и программа помещаются в общую память машины.

Принципиальное описание устройства и работы компьютера принято называть архитектурой ЭВМ. Идеи, изложенные в упомянутой выше статье, получили название «архитектура ЭВМ Дж. фон Неймана».

В 1949 году была построена первая ЭВМ с архитектурой Неймана — английская машина EDSAC.

Годом позже появилась американская ЭВМ EDVAC. Названные машины существовали в единственных экземплярах. Серийное производство ЭВМ началось в развитых странах мира в 50-х годах.

В нашей стране первая ЭВМ была создана в 1951 году. Называлась она МЭСМ — малая электронная счетная машина. Конструктором МЭСМ был Сергей Алексеевич Лебедев.

Под руководством С.А. Лебедева в 50-х годах были построены серийные ламповые ЭВМ БЭСМ-1 (большая электронная счетная машина), БЭСМ- 2, М- 20.

В то время эти машины были одними из лучших в мире.

11 Изобретение транзистора

Более шестидесяти лет назад, 23 декабря 1947 года, три американских физика, Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн, продемонстрировали коллегам новый прибор – полупроводниковый усилитель, или транзистор. Он был миниатюрнее, дешевле, прочнее и долговечнее радиоламп, а кроме того, потреблял гораздо меньше энергии. Словом, открытие стало настоящим рождественским подарком трех «санта-клаусов» человечеству – именно с этого основного элемента интегральных схем началась Великая кремниевая революция, приведшая к появлению общепринятых сегодня «персоналок».

Все трое получили заслуженную Нобелевскую премию, а Бардин впоследствии ухитрился получить и вторую – в 1972-м, за создание микроскопической теории сверхпроводимости (вместе с Леоном Купером и Джоном Шриффером – о чем ниже). Судьба Уильяма Шокли вообще сложилась очень любопытно.

История изобретения полупроводниковых усилителей – транзисторов – вышла драматичной, несмотря на ее скоротечность. Вся она уместилась в два послевоенных десятилетия, но чего в ней только не было! Тут и поразительные «пролеты» конкурентов удачливой тройки: находясь в буквальном смысле в сантиметрах от открытия, они не разглядели его и прошли мимо, в том числе и мимо светившей им Нобелевской премии. Ученики настолько хорошо усвоили идеи учителя, что чуть было не оставили его самого без означенной «нобелевки», так что раздосадованному шефу пришлось за неделю совершить невозможное, чтобы нагнать свою чересчур шуструю команду. Да и сам транзистор появился на свет, как это часто случалось, в результате нелепой ошибки одного из героев этой истории, измученного затяжной полосой неудач. Ну и, наконец, не менее поразительная «слепота» масс-медиа, сообщивших об одном из главных технологических переворотов ХХ века… мелким шрифтом на последних полосах!

Драматична судьба двух участников исторического события. Потеряв интерес к открытой ими золотой жиле, оба переключились на иные направления. Но Бардин, как уже говорилось, получил вторую «нобелевку» (их вообще в этой истории хватало), а Шокли – общественное негодование и игнорирование всего научного сообщества. До этого он еще успел растерять и лучших сотрудников. Сбежав из его фирмы и создав собственную, они разбогатели и прославились как создатели первых интегральных схем.

Тут не статью – увлекательный роман писать впору!

Но все по порядку. Итак, к середине прошлого века на повестку дня встал вопрос о замене громоздких, капризных, энергоемких и недолговечных электровакуумных ламп на что-то более миниатюрное и эффективное. К решению этой задачи одновременно подбирались несколько ученых и целые исследовательские группы.

Хотя все началось еще раньше – в 1833 году, когда англичанин Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании. Спустя без малого век, в 1926-м, соотечественник Фарадея Джулиус Эдгар Лилиенфилд получил патент под названием «Метод и прибор для управления электрическими токами», фактически предвосхитив, но так и не построив транзистор. А по окончании Второй мировой войны изучением электропроводных свойств полупроводниковых материалов занялись специалисты исследовательской фирмы Bell Telephone Laboratories, чья штаб-квартира располагалась в Марри-Хиллз (штат Нью-Джерси).

Именно там под руководством видного теоретика Уильяма Шокли был создан один из первых «мозговых центров» в истории американской науки. Шокли еще до войны пытался решить задачу повышения проводимости полупроводников с помощью внешнего электрического поля. Эскиз прибора в рабочем журнале ученого за 1939 год весьма напоминал нынешний полевой транзистор, однако испытания тогда закончились неудачей.

К концу войны в полупроводники успели поверить многие коллеги Шокли и, что самое главное, потенциальные заказчики и инвесторы – большой бизнес и «оборонка». На них произвели впечатление созданные во время войны радары, в основе которых лежали полупроводниковые детекторы.

Первым делом Шокли пригласил в Марри-Хиллз бывшего однокашника – теоретика Джона Бардина, переманив его из университета простым способом: предложил в два раза больший оклад. Кроме них двоих, в состав группы входила еще пятерка специалистов: теоретик, два экспериментатора, физико-химик и инженер-электронщик. Капитан этой команды ученых поставил перед ними ту же задачу, над которой бился до войны.

Однако и вторая попытка привела к отрицательному результату: изменить электропроводность полупроводниковых кремниевых пластин не смогли даже сильные внешние поля. Правда, на сей раз Бардин, работавший в связке с экспериментатором Уолтером Браттейном, с которым успел подружиться еще в колледже (где их объединила не только работа, но и совместное увлечение – гольф), смог хотя бы объяснить причину неудачи.

Если не вдаваться в технические детали, то из созданной им теории так называемых поверхностных состояний следовало, что управляющие металлические пластины, с помощью которых ученые воздействовали на полупроводниковый образец, и не могли дать желанного эффекта. Для получения положительного результата их следовало заменить заостренными (игольчатыми) электродами.

Друзья-коллеги так и поступили, и снова ничего. Казалось, дело зашло в тупик, но тут законченный трудоголик Браттейн, про которого говорили, что он может крутить ручки осциллографа по 25 часов в сутки («лишь бы было с кем поболтать»), неожиданно сорвался и совершил непростительную для профессионала ошибку. Что он там замкнул не так и какие полюса перепутал, в состоянии понять и оценить по достоинству только специалист-физик, для остального человечества важен результат той досадной ошибки, ставшей поистине золотой. Подсоединив электрод не туда, куда надо, Браттейн с удивлением зафиксировал резкое усиление входного сигнала: полупроводник заработал!

Первым, кто сразу же оценил всю прелесть совершенной ошибки, был Бардин. Вместе с Браттейном он продолжил движение в «неправильном» направлении, начав экспериментировать с кристаллом германия, обладавшим большим, чем у кремния, сопротивлением. И 16 декабря 1947 года друзья продемонстрировали остальным участникам группы первый полупроводниковый усилитель, названный позже точечным транзистором.

Это был уродливый на вид германиевый брусок с торчащими из него закрученными усиками-электродами. Как именно он действует, в ту пору понимал, очевидно, один только Бардин: выдвинутая им по горячим следам гипотеза об инжекции (испускании) зарядов одним электродом (эмиттером) и их собирании другим электродом (коллектором) была выслушана коллегами в недоуменном молчании. Специалистов можно было понять – подтверждения теоретической правоты Бардина пришлось ждать годы.

Официальная презентация нового прибора состоялась через неделю, в предрождественский вторник 23 декабря, и эта дата вошла в историю как день открытия транзисторного эффекта. Присутствовал весь топ-менеджмент Bell Telephone Laboratories, сразу оценивший, какие золотые горы сулит компании новое изобретение – особенно в радиосвязи и телефонии.

В мрачном расположении духа пребывал лишь снедаемый ревностью руководитель группы. Шокли считал себя автором идеи транзистора, он первым преподал своим удачливым ученикам основы квантовой теории полупроводников – однако его непосредственного вклада в создание первого рабочего транзистора никакое патентное бюро при всем желании не разглядело бы и в лупу.

Вдвойне несправедливо было и то, что Шокли раньше других оценил совершенно фантастические перспективы, которые сулил транзистор в иной области – стремительно прогрессировавшей вычислительной технике. Тут уже определенно светила «нобелевка», и Шокли, обладавший честолюбием и болезненным самолюбием, совершил фантастический рывок, чтобы успеть на уходящий поезд. Буквально за неделю ученый создал теорию инжекции и более основательную, чем бардинская, теорию транзистора – так называемую теорию p-n-переходов. А в новогоднюю ночь, когда коллеги исследовали в основном оставшиеся с рождественских гуляний бутылки из-под шампанского, придумал еще один тип транзистора – плоскостной (его еще называют «бутербродный»).

Героические усилия честолюбивого Шокли не пропали даром – спустя восемь лет он вместе с Бардиным и Браттейном разделил заветную Нобелевскую премию. На торжествах в Стокгольме, кстати, вся тройка в последний раз собралась вместе и больше никогда в полном составе не встречалась.

Через полгода после удачной премьеры транзистора в нью-йоркском офисе фирмы состоялась презентация для прессы нового усилителя. Однако реакция СМИ вопреки ожиданиям оказалась более чем вялой. На одной из последних полос (46-й) газеты The New York Times от 1 июля 1948 года в разделе «Новости радио» появилась короткая заметка – и все. Сообщение явно не тянуло на мировую сенсацию – с конца июня все американские и мировые СМИ были заняты обсуждением другой новости – советской блокады Западного Берлина, начатой за неделю до презентации транзистора. Изобретение троих ученых померкло на фоне репортажей о «воздушном мосте», с помощью которого американцы доставляли в блокированный сектор Берлина продукты питания и прочие предметы первой необходимости.

Поначалу фирме Bell Telephone Laboratories пришлось раздавать лицензии на транзисторы всем желающим, не торгуясь. Спрос был невелик – в то время инвесторы по инерции еще вкладывали огромные деньги в обычные радиолампы, производство которых переживало бум. Однако нашлись одиночки, которые быстро распознали возможности новых полупроводниковых усилителей, прежде всего в неожиданной области – слуховых аппаратов.

Среди прочих на нью-йоркской презентации присутствовал еще один будущий нобелевский лауреат – в ту пору инженер небольшой фирмы Centralab Джек Сент-Клер Килби. Вдохновившись увиденным, он наладил в своей фирме производство первых в мире миниатюрных слуховых аппаратов на транзисторах. А в мае 1958 года Килби перебрался в Даллас и поступил на работу в компанию Texas Instruments, производившую транзисторы, конденсаторы, резисторы и прочие «кубики», из которых собираются электросхемы.

Когда летом большинство сотрудников отправились в отпуска, Килби «на новенького» оставили потеть в офисе. Кроме всего прочего, ему пришлось заниматься рутинной работой, связанной скорее с бизнесом, чем с физикой. Именно за анализом ценообразования полупроводникового производства ученого посетила гениальная идея, в основе своей чисто экономическая. Получалось, что для вывода производства полупроводников на уровень рентабельности компании следовало ограничиться выпуском их одних. А все прочие активные элементы схемы производить на основе того же полупроводника, причем уже соединенными в единую компактную конструкцию наподобие детской игры Lego! Килби как раз и придумал, как это сделать.

Руководство компании пришло в восторг от идеи сотрудника и тут же «нагрузило» его срочным заданием: построить опытную модель схемы, целиком сделанной из полупроводника. 28 августа 1958 года Килби продемонстрировал работавший макет триггера, после чего приступил к изготовлению первой монолитной интегральной микросхемы (генератора с фазовым сдвигом) на кристалле германия.

Первый в истории простейший микрочип размером со скрепку для бумаг заработал 12 сентября, и этот день также вошел в историю. Однако Нобелевской премии Джеку Килби пришлось ждать почти полвека – ученый получил ее в последний год ХХ столетия, разделив премию с соотечественником, выходцем из Германии Гербертом Кремером и российским коллегой Жоресом Алферовым.

Что касается личных и профессиональных судеб трех отцов транзистора, то они сложились по-разному. Бардин, которого ревнивый до паранойи Шокли начал откровенно «затирать», в 1951 году оставил Bell Telephone Laboratories и перешел на работу в Университет штата Иллинойс в Урбане. Дополнительным стимулом послужил редкий в те времена годовой оклад в $10 тыс. Спустя пять лет профессор Бардин, уже забывший о полупроводниках и переключившийся на квантовые системы, услышал по радио о присуждении ему Нобелевской премии. А в 1972-м, как уже говорилось, за созданную вместе с сотрудниками Леоном Купером и Джоном Шриффером микроскопическую теорию сверхпроводимости получил и вторую. Умер единственный в истории дважды лауреат Нобелевской премии (в одной и той же номинации!) в 1991 году в возрасте 82 лет.

Для Уолтера Браттейна, скончавшегося за четыре года до того, точечный транзистор так и остался пиком научной карьеры.

Зато их руководитель Уильям Шокли и после полученной премии активно работал в различных областях, хотя транзисторы вскоре забросил. Любопытно, что с технологической и коммерческой точек зрения его плоскостной транзистор оказался более перспективным, чем точечный Бардина и Браттейна: последний продержался на рынке лишь до конца 1950-х, в то время как плоскостные выпускаются и поныне. И именно на их основе были созданы первые микросхемы.

Но более всего Шокли прославился в сфере, весьма далекой от физики. А по мнению многих, и от науки вообще. В середине 1960-х годов он неожиданно увлекся евгеникой, вызывающей у многих неприятные ассоциации с арийскими сверхчеловеками, низшими расами и тому подобными «приветами» из недавнего прошлого. Шокли разработал собственную модификацию евгеники – дисгенику. Эта теория говорит о неизбежной умственной деградации человечества, в котором с течением времени вымывается интеллектуальная элита (люди с высоким IQ), а их место занимают те, у кого недостаток интеллекта скомпенсирован избытком репродуктивной функции. Иными словами – более плодовитыми и более глупыми.

С идеей общего оглупления человечества трезвомыслящему человеку еще можно было бы согласиться – в принципе. Однако Шокли добавил в свои рассуждения расовый момент, записав в число более плодовитых и более глупых представителей черной и желтой рас, которые, по его мнению, от рождения обладают более низким IQ, чем белые. На том американский физик не остановился и в духе приснопамятных нацистских рецептов предложил свое окончательное решение – только не еврейского, а негритянского вопроса. Чтобы бурно размножающиеся и умственно неразвитые «черные» (а также «желтые» и слабоумные «белые») окончательно не вытеснили на обочину истории высокоинтеллектуальную белую элиту, последней следует побудить первых к добровольной стерилизации.

План Шокли, который он неоднократно представлял в американскую Академию наук и правительственные учреждения, предусматривал материальное стимулировение людей с низким IQ, согласившихся на добровольную стерилизацию.

Можно себе представить реакцию коллег Шокли на подобные откровения. В 1960-е годы о тотальной политкорректности в Америке говорить не приходилось, но и откровенный расизм был уже не в моде. А когда подобные идеи излагал профессор и нобелевский лауреат, результатом могли быть только шок и возмущение. Полная обструкция со стороны интеллектуальной элиты сопровождала Шокли до последних дней (он умер от рака в 1989 году).

Между тем история изобретения транзистора на том не закончилась. Круги от исторического события, произошедшего в декабре 1947 года, расходились еще долго, порой приводя к совершенно непредсказуемым результатам.

По справедливости, к упомянутой тройке нобелевских лауреатов 2000 года – Килби, Кремеру и Алферову – должен был бы присоединиться и американец Роберт Нойс, создавший первую микросхему одновременно с Килби. И самое главное – независимо от него. Однако Нойсу не довелось дожить до конца века, а посмертно эту премию, как известно, не присуждают.

Но занятно, что первый толчок научной карьере Нойса дал тот же Шокли – еще до того, как окончательно «сдвинулся» на расовой почве. В 1955 году будущий нобелевский лауреат покинул компанию Bell Telephone Laboratories и основал собственную фирму Shockley Semiconductor Laboratories в южном пригороде Сан-Франциско – Пало-Альто, где прошло его детство. Так был заложен первый камень в основание легендарной Кремниевой (или Силиконовой) долины.

Сотрудников Шокли набрал из молодых, да ранних, не подумав ни об их амбициях, ни о пределах их терпения – характер у него был отвратительный, да и руководителем он себя показал никаким. Не прошло и двух лет, как психологический климат в фирме стал чреват взрывом, и восемь лучших сотрудников во главе с Нойсом и Гордоном Муром сбежали из нее, чтобы основать собственную компанию.

Гениальных идей у «восьмерки предателей» (как заклеймил их Шокли) было хоть отбавляй – чего не скажешь о стартовых капиталах. Друзья-компаньоны еще не рожденной компании начали хождение по банкам и инвесторам в поисках денег. И после нескольких отказов счастливо наткнулись на такого же молодого и амбициозного финансиста Артура Рока, чьим коньком было как раз привлечение инвестиций. Что именно «напели» инженеры-технари бизнесмену, истории неведомо, но, как бы то ни было, он сыграл поистине судьбоносную роль в их будущем бизнесе. А также в судьбе других фирм Кремниевой долины, у основателей которых на старте не было ни гроша за душой – одни гениальные идеи и проекты.

С помощью Рока местная компания Fairchild Camera & Instrument согласилась инвестировать в новое дело $1,5 млн, но с одним условием: у нее останется право в будущем выкупить компанию «восьмерки» за вдвое большую сумму – если у тех дела пойдут в гору. Так была создана компания Fairchild Semiconductor, название которой буквально переводится как «Полупроводник чудо-ребенка» (в немецком варианте – вундеркинда). И вундеркинды из Пало-Альто скоро заявили о себе.

Нойс сам себя считал отменным лентяем. И главное изобретение жизни сделал, по его собственным словам, также из лени. Ему надоело наблюдать, как при изготовлении микромодулей пластины кремния сначала разрезали на отдельные транзисторы, а затем опять соединяли друг с другом в единую схему. Процесс был трудоемким (все соединения паялись вручную под микроскопом) и дорогостоящим. И в 1958 году Нойс наконец сообразил, как изолировать друг от друга отдельные транзисторы в кристалле. Так родились всем знакомые микросхемы – пластинки с графическим лабиринтом «дорожек» из алюминиевых напылений, отделенных друг от друга изолирующим материалом.

На первых порах микросхемы с трудом пробивали себе дорогу на рынок. Но в начале 1970-х все резко изменилось: после того, как в 1969 году Fairchild Superconductor продала определенный тип микрочипов (предсказанных Бардиным еще во время работы в Bell Telephone Laboratories) на $15 млн. Спустя два года объем продаж той же продукции подскочил до $100 млн.

Однако успехи «вундеркиндов» омрачили обычные в таких случаях приоритетные дрязги. Дело в том, что Джек Килби подал заявку на патент микросхемы в феврале 1959 года, а Нойс сделал это только спустя пять месяцев. Тем не менее он получил патент первым – в апреле 1961-го, а Килби – только через три года. После этого между конкурентами развязалась десятилетняя «приоритетная война», закончившаяся мировым соглашением: Апелляционный суд США подтвердил претензии Нойса на первенство в технологии, но одновременно постановил считать Килби создателем первой работающей микросхемы.

Роберт Нойс не дожил до положенной ему по праву Нобелевской премии 2000 года ровно десять лет – в 63-летнем возрасте он скончался в своем рабочем кабинете от сердечного приступа.

Но до этого он основал вместе с Муром еще одну знаменитую компанию. Бросив в 1968 году налаженный бизнес в Fairchild Semiconductor, друзья решили назвать свое новое детище без затей: Moore Noyce. Однако по-английски это звучало более чем двусмысленно – почти как more noise («больше шума»), и компаньоны остановились на более официальном, зато содержательном названии: Integrated Electronics. Затем их компания неоднократно меняла имя, и сегодня каждый пользователь «персоналок» ежедневно лицезреет ее логотип с нынешним названием, коротким и звучным – Intel. Который «внутри».

Так спустя два десятилетия после открытия Бардина, Браттейна и Шокли завершилась Великая кремниевая революция.

В случае с Джоном Бардиным члены Шведской академии в первый и пока единственный раз в более чем вековой истории Нобелевских премий пошли на нарушение ее статута. Один из его пунктов запрещает присуждать премии дважды в одной номинации. Однако отметить успех сотрудников Бардина (очевидный для членов комитета и всего мирового научного сообщества) и при этом проигнорировать главного виновника торжества было бы просто неприлично, и американскому физику сделали исключение.

«Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», который в ряде случаев можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Прибор был применен в схеме радиоприемника, не содержащего обычных ламп, а также в телефонной системе и телевизионном устройстве. Во всех случаях прибор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны. Транзистор, имеющий форму маленького металлического цилиндра длиной около 13 миллиметров, совсем не похож на обычные лампы, в нем нет ни полости, из которой откачан воздух, ни сетки, ни анода, ни стеклянного корпуса. Транзистор включается практически мгновенно, не требуя разогрева, поскольку в нем отсутствует нить накала. Рабочими элементами прибора являются лишь две тонкие проволочки, подведенные к куску полупроводника величиной с булавочную головку, припаянному к металлическому основанию. Полупроводник усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая отводит усиленный ток».

12 Поколения ЭВМ

Каждый этап развития определялся тем материалом, из которого они изготавливались, элементной базой. И на каждом этапе более современные модели ЭВМ быстро вытесняли старые. При этом область применения компьютеров постоянно расширялось. Поэтому принято говорить о поколениях ЭВМ.

Первое поколение

К первому поколению обычно относят ЭВМ, созданные на рубеже 1950-х годов и построенные на электронных лампах, хотя первая такая ЭВМ – ENIAC (английская аббревиатура, означающая «электронный цифровой интегратор и вычислитель») – была построена в США Дж. Моучли и Дж. Эккертом еще в 1945 году. По скорости вычислений она значительно превосходила релейные счетные машины того времени, но программировалась аппаратным способом – при помощи штеккерно-коммутационной панели (программа формировалась путем соответствующего соединения проводами тех или иных блоков машины). Только в 1949 году была построена первая ЭВМ с архитектурой фон Неймана (с программой, хранящейся в памяти в виде последовательности закодированных команд) – английская ЭВМ EDSAC, а годом позже появилась аналогичная американская машина EDVAC. Однако эти две ЭВМ существовали в единственных экземплярах, и лишь в 1950-х годах в развитых странах мира началось серийное производство ЭВМ первого поколения.

В СССР первая ЭВМ такого типа была создана в 1951 году академиком С.А. Лебедевым, эта машина называлась МЭСМ (аббревиатура, означающая «малая электронная счетная машина»). Позже под руководством академика Лебедева в 1950-х годах были построены серийные ламповые ЭВМ БЭСМ-1 («большая электронная счетная машина»), БЭСМ-2, М-20.

Компьютеры первого поколения стали значительным шагом вперед по сравнению с ранними моделями механических и электрических релейных счетных машин, прежде всего благодаря реализации идеи программного управления вычислениями – путем ввода в память требуемой последовательности кодов команд, но без изменения каждый раз структурной схемы ЭВМ. Для ввода-вывода программ и данных обычно использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и алфавитно-цифровые печатающие устройства. Но машины на электронных лампах имели огромные размеры и низкую надежность, потребляя при этом большое количество электроэнергии. Приобретение такого компьютера было по силам только крупным государственным учреждениям или фирмам.

Хотя компьютеры первого поколения обеспечивали быстродействие около 10-20 тысяч операций в секунду, набор команд для написания программ в них был небольшим, а какое-либо стандартное программное обеспечение практически отсутствовало. Более того, еще практически не существовало сколько-нибудь стандартных языков программирования – программы нужно было писать на языке машинных кодов, в соответствии с числовыми кодами команд процессора конкретной модели ЭВМ, так что программы, написанные для одного компьютера, невозможно было использовать на компьютере другой модели.

Как правило, ЭВМ первого поколения предназначались для решения каких-либо специальных задач (например, для расшифровки перехваченных вражеских радиограмм во время Второй мировой войны) или для выполнения расчетов для целых производственных и исследовательских коллективов. Желающие воспользоваться возможностями такой ЭВМ в своей работе должны были передавать задания математикам-программистам, формализующим задачи и составляющим программы, после чего созданная программа вводилась операторами с пульта управления машиной, а затем производились ее отладка и исполнение. Процесс отладки был достаточно длительным и носил итерационный (многошаговый) характер, а если получивший результаты расчетов специалист обнаруживал в постановке задачи ошибку или требовалось изменить исходные данные, то весь процесс приходилось производить заново.

Опыт использования машин первого поколения выявил существенный разрыв между значительным временем, затрачиваемым на разработку программ, и сравнительно небольшим временем выполнения расчетов по ним компьютером. Для решения этой проблемы потребовалась разработка средств автоматизации программирования и различных обслуживающих программ, упрощающих работу с ЭВМ, придающих ей характер диалога оператора с компьютером.

Второе поколение

Второе поколение ЭВМ представляют компьютеры, созданные в 1955–1965 годах с использованием как электронных ламп, так и отдельных транзисторных логических элементов. Они оснащались устройствами оперативной памяти на магнитных сердечниках, стал расширяться диапазон используемого периферийного оборудования ввода-вывода программ и данных – появились устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски. Быстродействие ЭВМ второго поколения достигало сотен тысяч операций в секунду, емкость памяти – нескольких десятков тысяч байтов.

Чтобы упростить создание программ, был создан язык программирования Ассемблер, позволяющий задать всю необходимую последовательность действий при помощи некоторого набора текстовых команд, понятных оператору и обычно представляющих собой аббревиатуры английских названий соответствующих действий. Соответственно, для преобразования текста программы (листинга), написанного на Ассемблере, в необходимую последовательность команд процессора компьютер должен быть оснащен специальной программой – транслятором.

Появился также широкий набор стандартных («библиотечных») программ для решения различных математических задач, были созданы мониторные системы, реализующие диалоговый режим трансляции, отладки и исполнения программ, а для некоторых машин второго поколения были созданы первые операционные системы. Однако ЭВМ второго поколения были несовместимы между собой по командам процессора, так что возможность создания универсальных, машинно-независимых программ все еще отсутствовала. А значительная сложность программирования на Ассемблере по-прежнему требовала при общении между пользователем и ЭВМ специалиста-оператора в качестве «посредника».

Третье поколение

ЭВМ третьего поколения были созданы после 1960 года на новой элементной базе – интегральных схемах (ИС), или микросхемах. Такие схемы представляют собой цельные микрокристаллы полупроводника, на которых при помощи целого ряда высокоточных микроопераций вытравливаются или напыляются сверхминиатюрные аналоги обычных транзисторов и иных полупроводниковых элементов. Первые ИС содержали в себе десятки, а позже – сотни, диодов, транзисторов, резисторов и пр.

Первой ЭВМ третьего поколения считается серийно выпускавшаяся со второй половины 1960-х годов американской фирмой IBM машина IBM/360. Немного позже, в 1970-х годах, в СССР и других европейских социалистических странах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ («Единая система ЭВМ») по образцу IBM/360. Скорость работы наиболее мощных моделей ЭВМ достигла нескольких миллионов операций в секунду; активно стал применяться новый тип внешних запоминающих устройств – магнитные диски, появились новые типы устройств ввода-вывода: цветные графические дисплеи и графопостроители.

Вместе с тем переход к третьему поколению связан прежде всего с существенными изменениями архитектуры ЭВМ. Машины третьего поколения – это семейства компьютеров с единой архитектурой, то есть полностью программно-совместимых между собой в пределах данного семейства. Появилась также возможность одновременного (точнее, параллельного) выполнения нескольких программ на одной машине; такой режим работы называется мультипрограммным (многопрограммным). Кроме того, ЭВМ третьего поколения уже оснащались развитыми операционными системами, обеспечивающими решение задач управления памятью, устройствами и ресурсами компьютера.

В 1970-е годы появились и быстро стали популярными малые (мини) ЭВМ. Типичным их представителем была машина серии PDP-11 американской фирмы DEC. Ее советскими аналогами стали серия СМ ЭВМ («Семейство малых ЭВМ»), а позже – хорошо всем известные семейства: ДВК, БК-0010 – БК-0011М, УКНЦ и пр. Решающим преимуществом мини-ЭВМ стали их небольшие размеры и стоимость, а также более высокая надежность по сравнению с «большими» машинами, поэтому уже во второй половине 1970-х годов мини-ЭВМ обогнали их по объемам производства. Существенно расширились и области применения ЭВМ – появились базы данных, первые системы автоматизированного проектирования (САПР) и управления (АСУ).

Чтобы упростить создание программ, появились так называемые языки высокого уровня, позволяющие задать всю необходимую последовательность действий при помощи некоторого стандартного, машинно-независимого набора команд, понятных оператору и обычно представляющих собой английские названия соответствующих действий или записи математических выражений в общепринятом виде. Соответственно, для преобразования листинга программы на языке высокого уровня в исполняемые программы для конкретного типа процессора потребовались более сложные программы-трансляторы, чем для Ассемблера. Однако для ЭВМ третьего поколения все еще оставалась нерешенной проблема программной совместимости (для исполняемых программ, по наборам команд процессоров) между разными семействами ЭВМ.

Четвертое поколение

Четвертое поколение соответствует нынешним ЭВМ, разработанным после 1970 года. Для них характерно широкое использование больших и сверхбольших интегральных схем (БИС, СБИС) в качестве элементной базы, и прежде всего – микропроцессоров. Микропроцессор (о его создании впервые объявила в 1971 году американская фирма Intel) – это сверхбольшая интегральная схема, способная выполнять функции основного блока ЭВМ – процессора. Кроме того, специализированные микропроцессоры сегодня встраивают в различные технические и бытовые устройства – от станков и автомобилей до фотоаппаратов и микроволновых печей – для автоматического управления работой этой техники.

Соединив микропроцессор с устройствами ввода-вывода и внешней памяти, можно получить новый тип компьютера – микро-ЭВМ. Самой популярной их разновидностью являются персональные компьютеры (ПЭВМ, ПК). Первые серийные ПЭВМ – Apple-1 и Apple-2 – были разработаны американскими специалистами Стивом Джобсом и Стивом Возняком в 1976 и 1977 годах. А с 1980 года «законодателем мод» на рынке ПЭВМ стала американская фирма IBM, специалистам которой удалось создать фактически международный стандарт архитектуры профессиональных ПЭВМ, реализованный в виде компьютеров семейства IBM PC (Personal Computer).

В аппаратном комплекте ПЭВМ используются цветной графический дисплей, манипуляторы типа «мышь» и «джойстик», удобная клавиатура, накопители на магнитных и оптических дисках для хранения информации. Программное обеспечение персонального компьютера специально ориентировано на пользователей, не являющихся специалистами в области компьютерной техники, и позволяет легко освоить ПЭВМ и общаться с ней. Тем самым был сделан важный шаг, позволяющий пользователям – «потребителям» возможностей компьютера – взаимодействовать с ним без каких-либо посредников и даже (благодаря специально разработанным прикладным программам) решать необходимые задачи, не прибегая к программированию. Благодаря этому ПЭВМ сегодня стали такой же привычной бытовой техникой, как радиоприемник или телевизор. Именно ПЭВМ сделали компьютерную грамотность массовым явлением и привели к рождению самого понятия «информационные технологии», без которых уже становится невозможным обойтись в большинстве областей деятельности человека.

Другая линия в развитии ЭВМ четвертого поколения – это супер-ЭВМ. Машины такого класса имеют быстродействие в сотни миллионов и миллиарды операций в секунду. Первой супер-ЭВМ четвертого поколения была американская машина ILLIAC-4, за ней появились CRAY, CYBER и др. Из отечественных ЭВМ к этой линии относится многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус».

Пятое поколение

ЭВМ пятого поколения – это машины ближайшего будущего. Их разработка производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных (лазеры, голография) и квантовых принципов.

Однако основным качеством ЭВМ пятого поколения должен стать ее высокий «интеллектуальный уровень»: реализация искусственного интеллекта, возможности голосового общения с пользователем, машинного «зрения» и «осязания». Компьютеры такого класса будут способны распознавать рукописный текст и вводимое с подключенных видеокамер изображение окружающей обстановки, узнавать пользователя по голосу и распознавать его словесные команды, осуществлять синхронный голосовой перевод с одного языка на другой и пр.

В компьютерах пятого поколения должен произойти качественный переход от обработки данных к обработке знаний, к возможности общения пользователя с компьютером не на формальном языке команд и стандартных манипуляций, а на свободном, естественном языке словесного общения, жестов, а возможно, и эмоций.

Функционально архитектура компьютеров пятого поколения должна будет содержать два основных блока: «традиционный» компьютер и осуществляющий его связь с пользователем блок «интеллектуального интерфейса», задача которого – понять написанное или произнесенное на естественном языке условие задачи (причем не обязательно только расчетной!) и автоматически сформировать алгоритм, необходимый для ее решения; такие возможности могут быть достигнуты благодаря нейрокомпьютерным технологиям.

Среди других задач разработчиков ЭВМ пятого поколения можно указать централизацию вычислений с помощью беспроводных компьютерных сетей (основная работа ложится на мощные компьютеры, с которыми взаимодействуют управляемые пользователями мини-компьютеры, в основном обеспечивающие функции ввода-вывода данных), создание распределенных вычислительных систем (решение сложной задачи ведется десятками объединенных в сеть компьютеров, каждому из которых «поручена» часть этой задачи), создание персональных «электронных помощников», постоянно сопровождающих каждого человека с самого рождения (например, надеваемых и вживленных ПЭВМ) и др., вплоть до «искусственных людей» – кибернетических систем, способных автономно функционировать и даже, возможно, наделенных эмоциями.

13 Компьютеры будущего

Будущее может быть разным, и путей к нему тоже много, но ни то, ни другое предсказать невозможно. И все же кое-какие широкие штрихи набросать можно, причем в большинстве сценариев прогресс приводит к изменению способа нашего общения, объема информации, с которой нам придется иметь дело, и, возможно, даже наших природных способностей.

Технология микропроцессоров уже приближается к фундаментальным ограничениям. Следуя закону Мура, к 2010 - 2020 годам размеры транзистора должны уменьшиться до четырех-пяти атомов. Рассматриваются многие альтернативы, но, если они не будут реализованы в массовом производстве, закон Мура перестанет работать. Этот закон (вернее, прогноз соучредителя Intel Гордона Мура) гласит, что плотность транзисторов в микросхеме удваивается каждые полтора года, и все последние 20 лет он выполнялся. Если в начале нового столетия рост производительности микропроцессоров прекратится, в вычислительной технике наступит стагнация. Но возможно, что вместо этого произойдет технологический скачок с тысячекратным увеличением мощности компьютеров.

Последний сценарий очень привлекателен. Мало того, что целый ряд технологий получит необходимое развитие, разработки в одних областях помогут продвижению других. Инженер Рэй Курцвейл (Ray Kurzweil) называет это "законом взаимного усиления выгод". Когда в развитии какой-то области происходит скачок, время между открытиями сокращается и предыдущие достижения накладываются на следующие, что еще больше ускоряет прогресс.

К технологиям, способным экспоненциально увеличивать обрабатывающую мощность компьютеров, следует отнести молекулярные или атомные технологии; ДНК и другие биологические материалы; трехмерные технологии; технологии, основанные на фотонах вместо электронов; и наконец, квантовые технологии, в которых используются элементарные частицы. Если на каком-нибудь из этих направлений удастся добиться успеха, то компьютеры могут стать вездесущими. А если таких успешных направлений будет несколько, то они распределятся по разным нишам. Например, квантовые компьютеры будут специализироваться на шифровании и поиске в крупных массивах данных, молекулярные - на управлении производственными процессами и микромашинах, а оптические - на средствах связи.

Возможности современного производства пока не позволяют наладить недорогое массовое изготовление подобных устройств. Однако многие ученые уверены в том, что решение будет найдено. Уже есть свидетельства определенного взаимного усиления выгод по Курцвейлу. Например, эффективность "генетических чипов" удалось повысить (а стоимость - понизить) благодаря использованию других чипов, содержащих полмиллиона маленьких зеркал, - первоначально они предназначались для оптических систем связи. Цифровая микрозеркальная система (Digital Micromirror Device, DMD) от Texas Instruments применялась даже для демонстрации последней серии фильма "Звездные войны". Точно так же микромашины (micro-electro-mechanical systems, MEMS) изготавливаются с применением технологии травления, разработанной для производства электронных микросхем. В этих устройствах датчики сочетаются с микроприводами, что позволяет им выполнять физические действия. Возможно даже, что MEMS помогут в создании компьютеров атомных размеров, необходимых для квантовых вычислений.

В наступающем веке вычислительная техника сольется не только со средствами связи и машиностроения, но и с биологическими процессами, что откроет такие возможности, как создание искусственных имплантантов, интеллектуальных тканей, разумных машин, "живых" компьютеров и человеко-машинных гибридов. Если закон Мура проработает еще 20 лет, уже в 2020 году компьютеры достигнут мощности человеческого мозга - 20000000 миллиардов операций в секунду (это 100 млрд. нейронов умножить на 1000 связей одного нейрона и на 200 возбуждений в секунду). А к 2060 году компьютер сравняется по силе разума со всем человечеством. Одной вероятности подобной перспективы достаточно, чтобы отбросить любые опасения по поводу применения био- и генной инженерии для расширения способностей человека.

"Я не верю в научную фантастику типа "Звездного пути", где через 400 лет люди остаются прежними, - сказал астрофизик Стивен Хокинг (Stephen Hawking), выступая в прошлом году в Белом доме. - По-моему, человеческая раса и сложность ее ДНК очень скоро начнут меняться".

Однако для этого вычислительная техника будущего столетия должна вобрать в себя некоторые новейшие технологии. Ниже приводится обзор нескольких новых технологий и процессов, способных не только обеспечить продолжение действия закона Мура, но и превратить его из линейного в прогрессирующий.

Молекулярные компьютеры

Недавно компания Hewlett-Packard объявила о первых успехах в изготовлении компонентов, из которых могут быть построены мощные молекулярные компьютеры. Ученые из HP и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) объявили о том, что им удалось заставить молекулы ротаксана переходить из одного состояния в другое - по существу, это означает создание молекулярного элемента памяти.

Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей, способных выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Весь такой компьютер может состоять из слоя проводников, проложенных в одном направлении, слоя молекул ротаксана и слоя проводников, направленных в обратную сторону. Конфигурация компонентов, состоящих из необходимого числа ячеек памяти и логических ключей, создается электронным способом. По оценкам ученых HP, подобный компьютер будет в 100 млрд. раз экономичнее современных микропроцессоров, занимая во много раз меньше места.

Сама идея этих логических элементов не является революционной: кремниевые микросхемы содержат миллиарды таких же. Но преимущества в потребляемой энергии и размерах способны сделать компьютеры вездесущими. Молекулярный компьютер размером с песчинку может содержать миллиарды молекул. А если научиться делать компьютеры не трехслойными, а трехмерными, преодолев ограничения процесса плоской литографии, применяемого для изготовления микропроцессоров сегодня, преимущества станут еще больше.

Кроме того, молекулярные технологии сулят появление микромашин, способных перемещаться и прилагать усилие. Причем для создания таких устройств можно применять даже традиционные технологии травления. Когда-нибудь эти микромашины будут самостоятельно заниматься сборкой компонентов молекулярного или атомного размера.

Первые опыты с молекулярными устройствами еще не гарантируют появления таких компьютеров, однако это именно тот путь, который предначертан всей историей предыдущих достижений. Массовое производство действующего молекулярного компьютера вполне может начаться где-нибудь между 2005 и 2015 годами.

Биокомпьютеры

Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки. 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 см. Если бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул, его размер был бы равен размеру одного из компонентов клетки - 0,000025 мм. По мнению Шапиро, 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).

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 тыс. дол. Здесь-то и пригодилась микросхема DMD от Texas Instruments: ее микрозеркала, направляя свет, исключают потребность в масках.

Билл Дитто (Bill Ditto) из Технологического института штата Джорджия провел интересный эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи. Вероятно, 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.

Оптические компьютеры

По сравнению с тем, что обещают молекулярные или биологические компьютеры, оптические ПК могут показаться не очень впечатляющими. Однако ввиду того, что оптоволокно стало предпочтительным материалом для широкополосной связи, всем традиционным кремниевым устройствам, чтобы передать информацию на расстояние нескольких миль, приходится каждый раз преобразовывать электрические сигналы в световые и обратно.

Эти операции можно упростить, если заменить электронные компоненты чисто оптическими. Первыми станут оптические повторители и усилители оптоволоконных линий дальней связи, которые позволят сохранять сигнал в световой форме при передаче через все океаны и континенты. Со временем и сами компьютеры перейдут на оптическую основу, хотя первые модели, по-видимому, будут представлять собой гибриды с применением света и электричества. Оптический компьютер может быть меньше электрического, так как оптоволокно значительно тоньше (и быстрее) по сравнению с сопоставимыми по ширине полосы пропускания электрическими проводниками. По существу, применение электронных коммутаторов ограничивает быстродействие сетей примерно 50 Гбит/с. Чтобы достичь терабитных скоростей потребуются оптические коммутаторы (уже есть опытные образцы). Это объясняет, почему в телекоммуникациях побеждает оптоволокно: оно дает тысячекратное увеличение пропускной способности, причем мультиплексирование позволяет повысить ее еще больше. Инженеры пропускают по оптоволокну все больше и больше коротковолновых световых лучей. В последнее время для управления ими применяются чипы типа TI DMD с сотнями тысяч микрозеркал. Если первые трансатлантические медные кабели позволяли передавать всего 2500 Кбит/с, то первое поколение оптоволоконных кабелей - уже 280 Мбит/с. Кабель, проложенный сейчас, имеет теоретический предел пропускной способности в 10 Гбит/с на один световой луч определенной длины волны в одном оптическом волокне.

Недавно компания Quest Communications проложила оптический кабель с 96 волокнами (48 из них она зарезервировала для собственных нужд), причем по каждому волокну может пропускаться до восьми световых лучей с разной длиной волны. Возможно, что при дальнейшем развитии технологии мультиплексирования число лучей увеличится еще больше, что позволит расширять полосу пропускания без замены кабеля.

Целиком оптические компьютеры появятся через десятилетия, но работа в этом направлении идет сразу на нескольких фронтах. Например, ученые из университета Торонто создали молекулы жидких кристаллов, управляющие светом в фотонном кристалле на базе кремния. Они считают возможным создание оптических ключей и проводников, способных выполнять все функции электронных компьютеров.

Однако прежде, чем оптические компьютеры станут массовым продуктом, на оптические компоненты, вероятно, перейдет вся система связи - вплоть до "последней мили" на участке до дома или офиса. В ближайшие 15 лет оптические коммутаторы, повторители, усилители и кабели заменят электрические компоненты.

Квантовые компьютеры

Квантовый компьютер будет состоять из компонентов субатомного размера и работать по принципам квантовой механики. Квантовый мир - очень странное место, в котором объекты могут занимать два разных положения одновременно. Но именно эта странность и открывает новые возможности.

Например, один квантовый бит может принимать несколько значений одновременно, то есть находиться сразу в состояниях "включено", "выключено" и в переходном состоянии. 32 таких бита, называемых q-битами, могут образовать свыше 4 млрд комбинаций - вот истинный пример массово-параллельного компьютера. Однако, чтобы q-биты работали в квантовом устройстве, они должны взаимодействовать между собой. Пока ученым удалось связать друг с другом только три электрона.

Уже есть несколько действующих квантовых компонентов - как запоминающих, так и логических. Теоретически квантовые компьютеры могут состоять из атомов, молекул, атомных частиц или "псевдоатомов". Последний представляет собой четыре квантовых ячейки на кремниевой подложке, образующих квадрат, причем в каждой такой ячейке может находиться по электрону. Когда присутствуют два электрона, силы отталкивания заставляют их размещаться по диагонали. Одна диагональ соответствует логической "1", а вторая - "0". Ряд таких ячеек может служить проводником электронов, так как новые электроны будут выталкивать предыдущие в соседние ячейки. Компьютеру, построенному из таких элементов, не потребуется непрерывная подача энергии. Однажды занесенные в него электроны больше не покинут систему.

Теоретики утверждают, что компьютер, построенный на принципах квантовой механики, будет давать точные ответы, исключая возможность ошибки. Так как в основе квантовых вычислений лежат вероятностные законы, каждый q-бит на самом деле представляет собой и "1", и "0" с разной степенью вероятности. В результате действия этих законов менее вероятные (неправильные) значения практически исключаются.

Насколько близко мы подошли к действующему квантовому компьютеру? Прежде всего необходимо создать элементы проводников, памяти и логики. Кроме того, эти простые элементы нужно заставить взаимодействовать друг с другом. Наконец, нужно встроить узлы в полноценные функциональные чипы и научиться тиражировать их. По оценкам ученных, прототипы таких компьютеров могут появиться уже в 2005 году, а в 2010-2020 годах должно начаться их массовое производство.

Термин "квантовый скачок" означает, что в квантовом мире изменения происходят скачками. Похоже, что где-то около 2020 года, если не раньше, подобный скачок произойдет и в вычислительной технике: к тому времени мы перейдем от традиционных кремниевых полупроводников к более совершенным технологиям.

Результатом станут намного более компактные, быстродействующие и дешевые компьютеры. Появится возможность наделять любые промышленные продукты определенными интеллектуальными и коммуникационными способностями. Банка кока-колы, помещенная в холодильник, на самом деле будет саморегистрироваться в его сети; предметы - автоматически упорядочиваться. Каждый человек ежесекундно будет пользоваться Сетью, хотя за большинством обращений к нему будут следить специальные устройства, автоматически отвечая на вызовы или переадресовывая их в службу передачи сообщений.

К 2030 году может начаться распространение вживленных устройств с прямым доступом к нейронам. Ближе к середине столетия в мире киберпространства будут царить микро- и нано устройства (интеллектуальная пыль). К тому времени Интернет будет представлять собой отображение всего реального мира. Представьте себе мир, окутанный беспроводной сетью данных, по которой путешествуют огромные объемы информации. Тогда такие фантастические и мистические явления, как телепатия и телекинез, станут самым простым проявлением Всемирной сети. Грубо говоря, телепатия будет выглядеть как сгенерированная вашими нейронами информация, путешествуя в пакетах к другим нейронам для расшифровки. Почти как протокол TCP/IP сегодня. А телекинез (передвижение мыслью физических объектов) будут производить нано устройства, активированные вашей мысленной командой. Простейшие устройства, реагирующие на мысленные команды, существуют уже и сегодня. Хотя к тому времени вам вряд ли захочется передвигать реальные объекты, если возможно будет просто переместить их цифровые копии. Без шлемов виртуальной реальности можно будет совершить полноценный круиз в любой уголок земного шара, не покидая своей квартиры. Мысленно можно будет вызвать цифровую проекцию любого места, причем события в нем будут отображаться в реальном времени. Или наоборот, спроецировать себя, в любую точку нашей планеты. Таким образом, грань между кибер- и реальным пространством исчезнет.

На биологическом фронте исследования в области клетки приближают возможность замены тканей или органов, включая нейроны, которые раньше считались незаменимыми. Более того, клетки и ткани можно будет наделять способностями обработки и передачи данных. Подобный контроль над живыми процессами дает надежду на увеличение продолжительности жизни: ученые не видят принципиальных препятствий к тому, чтобы люди жили по несколько сотен лет.

К концу 21-го века, благодаря достижениям генной инженерии в сочетании с биоинженерными тканями и имплантатами, люди станут совсем не похожими на современных. Пока не ясно, какой процент населения пожелает принять участие в подобных усовершенствованиях, но отказавшиеся рискуют остаться сторонними наблюдателями, следя с обочины за тем, как люди, развитые биоинженерными методами, гигантскими шагами устремляются вперед рука об руку с разумными машинами. Могу себе представить, как в какой-то момент человечество разделится на два лагеря, будут социальные волнения, но прогресс не остановить. Если все это будет происходить, как прогнозируется, годах в 2050-х, то, как вы думаете, кто будет самой консервативной частью общества? Правильно - нынешняя молодежь, правда, к тому времени немного постаревшая. Примерно, как сейчас бабушки и дедушки недоверчиво косятся на коробчатые компьютеры, так же будущее старшее поколение будет недоверчиво смотреть на своих детей, получающих биологические имплантаты при рождении и общающихся не открывая рта.

Конечно, заглянуть вперед более чем на несколько лет можно лишь чисто умозрительно, хотя в том, что ко второй половине этого века обрабатывающая мощность компьютеров превысит интеллектуальные способности человека, можно не сомневаться. Вполне вероятно, что к тому времени начнется и колонизация Солнечной системы. А к 22-му веку и люди, и компьютеры широко распространятся по ее планетам и начнут готовиться к освоению ближайших звездных систем.

Пока здравый смысл не приспособился к переменчивому миру квантовой механики, это будущее кажется чуждым такому знакомому современному миру. Путешествие во времени может завести и в рай, и в ад, но во всяком случае скучным его не назовешь.

Список литературы

1. Б. Казаченко. Тридевятое Царство, Тридесятое Государство, Или Как Считали Наши Предки. Наука и жизнь №10 май 2007
2. О. Соловьева. Водяные вычислительные машины. Наука и жизнь №4 апрель 2000.
3. Р. Курант, Г. Роббинс. Что такое математика? — 3-e изд., испр. и доп. — М.: МЦНМО, 2001. — 568 с. ISBN 5–900916–45–6
4. С.Б. Гашков системы счисления и их применение. Издательство Московского центра непрерывного математического образования-Москва 2004-МЦНМО, 2004-52с.-ISBN 5-94057-146-8
5. Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. Г97 От абака до компьютера. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Знание, 1981. - 208 с. + 32 с. вкл. (Библиотека «Знание)
6. Тихвинский В.И. Предыстория автоматизации вычислений в докомпьютерную эпоху. V Международная научно-практическая конференция им. А.И. Китова, Москва, 2015
7. В. С. Михалевич. Словарь по кибернетике издание. 2е Глав. ред. Укр. Сов. Энциклопедии им. М.П. Бажана, 1989 ISBN 5885000085 Всего страниц: 751
8. Л.П. Крайзмер. Бионика. Массовая Радиобиблиотека Выпуск 453 Государственное Энергетическое Издательство Москва 1962 Ленинград
9. А.Н. Кубанков, О.Ю. Перфилов, Л.А. Скляренко. Хронология развития инфокоммуникаций. Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2016. -64 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека. Выпуск 1285). ISBN 978-5-9912-0489-7.
10. Г.А. Кардашев Радиоэлектроника - с компьютером и паяльником. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 334 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1276). ISBN 5-93517-327-1.
11. Б.И. Крук, Г.Н. Попов .И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь. - 3-е издание, исправленное. - М.: Горячая линия-Телеком, 2004. - 264 с.: ил. (Массовая радиобиблиотека. Выпуск 1271) ISBN 5-93517-168-6
12. Г.А. Кардашев Цифровая электроника на персональном компьютере. Electronics Work bench и Micro-Cap - М.: Горячая линия-Телеком, 2003. - 311 с., ил. - (Массовая радиобиблиотека, 1263)ISBN S-93S17-140-6
13. А.Г. Гейн, В.Г. Житомирский, Е.В. Линецкий, М.В. Сапир, В.Ф. Шолохозич. Основы информатики и вычислительной техники. Пробный учебник для 10-11 классов средней школы. М.: Просвещение, 1991. - 254 с.: ил. - ISBN-5-09-003389-7. ББК 73я72+32.973я72
14. История логарифмов. [Электронный ресурс]: URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ (дата обращения 25.05.2018).
15. История логарифмической линейки [Электронный ресурс]: URL: http://история-вещей.рф/priboryi/istoriya-logarifmicheskoy-lineyki.html (дата обращения 01.06.2018).
16. История создания компьютера. [Электронный ресурс]: URL: http://osvoenie-pk.ru/ustr_istoria.htm (дата обращения 03.06.2018).
17. Забытое поколение релейных компьютеров. [Электронный ресурс]: URL: https://habr.com/company/mailru/blog/370471/ (дата обращения 03.06.2018).
18. В. Гаков. История транзисторов. [Электронный ресурс]: URL: http://samag.ru/archive/article/933 (дата обращения 05.06.2017).