История развития вычислительной техники

Содержание:

Введение

Вычислительные приборы, как таковые, начинают свое развитие задолго до возникновения современной дисциплины информатики, появившейся в XX веке. Информационные технологии связаны с изучением методов и средств сбора, обработки и передачи данных с целью получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления.

Ввиду возрастания потребностей человечества в обработке все большего объема данных, средства получения информации совершенствовались от самых ранних механических изобретений до современных компьютеров. Также в рамках информационных технологий идет развитие сопутствующих математических теорий, которые сейчас формируют современные концепции.

Основным техническим средством технологии переработки информации является персональный компьютер, существенно повлиявший как на концепцию построения и использования технологических процессов, так и на качество получаемой после обработки информации.

В короткой истории компьютерной техники выделяют несколько периодов на основе того, какие основные элементы использовались для изготовления компьютера. Временное деление на периоды в определенной степени условно, так как когда еще выпускались компьютеры одного поколения, последующее поколение уже начинало набирать обороты.

Можно выделить такие общие тенденции развития компьютеров, как:

1. Увеличение скорости работы.
2. Уменьшение размеров.
3. Снижение стоимости.
4. Увеличение количества элементов на единицу площади.
5. Развитие программных средств и стандартизация, упрощение аппаратных.

1. Возникновение вычислительной техники и ее развитие до компьютеров

Ранние упоминания

Абак

Самое раннее упоминание об использовании вычислительных устройств приходится на период 2700—2300 годов до нашей эры. В то время в древнем Шумере был распространен абак, состоявший из доски с начерченными линиями, разграничивающими последовательность порядков системы счисления. Изначальный способ использования шумерского абака заключался в начертании линий на песке и гальке. Модифицированные абаки использовались так же, как современные калькуляторы [1].

Внешний вид абака представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Внешний вид абака

Антикитерский механизм

Антикитерский механизм считается самым ранним из известных механических аналогов компьютера. Данный механизм был предназначен для расчета астрономических позиций. Первый экземпляр был обнаружен в 1901 году на развалинах греческого острова Андикитира между Китирой и Критом и датирован 100 годом до нашей эры. Технологические артефакты подобной сложности больше не появлялись до XIV века, когда в Европе были изобретены механические астрономические часы [1].

Механические аналоговые вычислительные устройства

Механические аналоговые вычислительные устройства появились сотни лет спустя после антикитерского механизма в средневековом исламском мире. Примерами устройств этого периода являются торкветум изобретателя Джабир ибн Афлаха, механический мотор астролябии Абу Райхан аль-Бируни и экваториум Аз-Заркали. Мусульманские инженеры построили ряд автоматов, в том числе музыкальных, которые могут быть «запрограммированы» на проигрывание различных музыкальных мелодий. Эти устройства были разработаны братьями Бану Муса и Аль-Джазари. Мусульманскими математиками также сделаны важные достижения в области криптографии, криптоанализа и частотного анализа Аль-Кинди [2].

Аналитические устройства

Первые проекты вычислительных машин

После того, как в начале XVII века Джон Непер открыл логарифмы для вычислительных целей, последовал период значительного прогресса среди изобретателей и ученых в создании инструментов расчета. В 1623 году Вильгельм Шиккард разработал вычислительную машину, но отказался от проекта, когда построенный им прототип был уничтожен в 1624 году пожаром. Около 1640 года ведущий французский математик Блез Паскаль построил первое механическое устройство сложения. Структура описания этого устройства основана на идеях греческого математика Герона. Затем, в 1672 году, Готфрид Вильгельм Лейбниц изобрел ступенчатый калькулятор, который он собрал в 1694 году [2].

Описание аналитической машины Бэббиджа

В 1837 году Чарльз Бэббидж описал свою первую аналитическую машину, считающуюся наиболее ранней конструкцией современного компьютера. Аналитическая машина имела арифметическое устройство, расширяемую память и логические схемы с возможностью интерпретировать язык программирования с условными ветвлениями и циклами. Хотя она не была построена, проект был хорошо изучен и отражал идею полноты по Тьюрингу. Аналитическая машина имела бы тактовую частоту меньше 10 Гц и объем памяти меньше 1 килобайта [2].

Алгебра высказываний Буля

В 1703 году Готфрид Вильгельм Лейбниц разработал формальную логику, математический смысл которой описан в его трудах и заключается в сведении логики к бинарной системе счисления. В ней нули и единицы формально представляют ложное и истинное значения или выключенное и включенное состояние некоторого элемента, который может быть в двух состояниях. Эти работы намного опередили работы Джоржа Буля, который опубликовал свои результаты в 1854 году. В наши дни алгебра высказываний Буля называется булевой — математически полная алгебраическая система. Новый импульс развитию булевой алгебры дал Клод Шеннон в работах 1933 года, где он показал, что состояния и переходы между состояниями релейных переключающих схем могут быть формально описаны в терминах булевой алгебры и для их анализа и синтеза пригоден математический аппарат булевой алгебры, к тому времени хорошо развитый. И сейчас булева алгебра — основа для логического проектирования процессоров, видеокарт и многих других систем и устройств бинарной логики [3].

Ткацкий станок Жаккара

К этому времени было изобретено первое механическое устройство, управляемое бинарной схемой. Промышленная революция дала толчок механизации многих задач, включая ткачество. Перфокарты контролировали работу ткацких станков Жозефа Мари Жаккара. В них перфорированное отверстие на карте означало бинарную единицу, а неперфорированное место означало бинарный ноль. Благодаря перфокартам станки имели возможность воспроизводить сложнейшие узоры. Ткацкий станок Жаккара был далек от того, чтобы называться компьютером, но он показывает, что бинарная система могла быть использована для управления механизмами [3].

Аналитическая машина Бэббиджа

Чарльз Бэббидж считается пионером вычислительной техники. Бэббидж имел четкое представление о механических вычислениях таблиц и чисел. С 1810-х годов он начал воплощать свои идеи в реальность, разработав калькулятор для вычисления чисел до 8 знаков после запятой. Продолжая успех этой идеи, Бэббидж работал над созданием машины, имеющей возможность вычислять числа до 20 знаков после запятой. К 1830 году Бэббидж придумал план разработки машины, использующей перфокарты для выполнения арифметических операций. Предполагалось, что машина должна хранить числа в блоках памяти и содержать форму последовательного управления. Это означает, что операции должны проводиться последовательно таким образом, чтобы машина возвращала ответ в виде удачи или неудачи. Эта машина стала известной как «аналитическая машина», ставшая первым прототипом современного компьютера. Гораздо позже, 21 января 1888, прошло частичное испытание «Аналитической машины Бэббиджа», построенной его сыном. На этом устройстве было успешно вычислено число Пи с точностью до 29 знаков [4].

Внешний вид аналитической машины Бэббиджа представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Внешний вид аналитической машины Бэббиджа

2. Математические основы

Ада Лавлейс

Ада Лавлейс является первопроходцем компьютерного программирования. Лавлейс начала работать у Чарльза Бэббиджа в качестве помощницы, в то время как Бэббидж работал над «Аналитической машиной». За время работы с Бэббиджем, Ада Лавлейс стала разработчиком первого компьютерного алгоритма, умеющего вычислять числа Бернулли. Также результатом ее работы с Бэббиджем было предсказание того, что компьютеры будут не только выполнять математические расчеты, но и манипулировать различными символами, не только математическими. Она не могла видеть результаты своей работы, так как «аналитическая машина» не была создана при ее жизни, но начиная с 1940-х годов, ее усилия не остались незамеченными.

До 1920-х годов вычисляющими элементами были выполнявшие вычисления клерки. Много тысяч таких клерков было занято в научно-исследовательских учреждениях, правительстве и коммерции. Вычисляющими элементами, в большинстве своем, являлись имеющие специальное образование женщины. Некоторые из них выполняли астрономические вычисления для календарей [4].

Математические основы современной информатики

Математические основы современной информатики были заложены Куртом Геделем в его теореме о неполноте, датированной 1931 годом. В этой теореме он показал существование пределов того, что может быть доказано и опровергнуто с помощью формальной системы. Это привело к определению и описанию Геделем и другими формальных систем, в том числе были определены такие понятия, как μ-рекурсивная функция и λ-определимые функции.

Ключевым для информатики был 1936 год, когда Алан Тьюринг и Алонзо Черч параллельно друг с другом представили формализацию алгоритмов с определением пределов того, что может быть вычислено, и «чисто механическую» модель для вычисления.

После 1920-х годов выражение вычислительная машина относят к любым машинам, которые выполняли работу человека-компьютера, особенно к разработанным в соответствии с эффективными методами тезиса Черча — Тьюринга. Этот тезис формулируется как: «Всякий алгоритм может быть задан в виде соответствующей машины Тьюринга или частично рекурсивного определения, а класс вычислимых функций совпадает с классом частично рекурсивных функций и с классом функций, вычислимых на машинах Тьюринга». По-другому, тезис Черча-Тьюринга определяется как гипотеза о природе механических устройств расчетов, таких как электронно-вычислительные машины. Любое возможное вычисление может быть выполнено на компьютере, при условии, что в нем достаточно места для хранения и времени.

Работающие над вычислениями с бесконечностями механизмы стали известны как аналоговый тип. Значения в таких механизмах представлялись непрерывными числовыми величинами, например, разность электрического потенциала или угол вращения вала.

В отличие от аналоговых, цифровые машины имели возможность хранить отдельно каждую цифру и представлять состояние числового значения. Цифровые машины использовали различные процессоры или реле до изобретения устройства с оперативной памятью [5].

3. Первые компьютеры

Машина Тьюринга

Название вычислительная машина с 1940-х начало вытесняться понятием компьютер. Компьютерами назывались машины, которые были в состоянии выполнять вычисления, раньше выполняемые клерками. Начиная с того, как значения перестали зависеть от физических характеристик, логический компьютер, который основан на цифровом оборудовании, был в состоянии сделать все, что может быть описано чисто механической системой.

В 1937 году Алан Тьюринг представил свою идею того, что сейчас называется машиной Тьюринга. Теоретическая машина Тьюринга стала гипотетическим устройством, теоретизированным для того, чтобы изучать свойства такого оборудования. Предвидя современные компьютеры, имеющие возможность хранить программы, он описал то, что стало известно, как Универсальная машина Тьюринга.

Машины Тьюринга были разработаны для формального математического определения, что может быть вычислено с учетом ограничений на вычислительную способность. Если машина Тьюринга может выполнить задачу, то задача считается вычислимой по Тьюрингу. Тьюринг в основном сосредоточился на проектировании машины, имеющей возможность определить, что может быть вычислено. Тьюринг сделал вывод, что, пока существует машина Тьюринга, имеющая возможность вычислять приближение числа, это значение исчислимо. Кроме того, машина Тьюринга может интерпретировать логические операторы, такие как «И», «Или», «Исключающее или», «Не», и «Если-То-Иначе», чтобы определить вычислимость функции.

На симпозиуме по крупномасштабной цифровой технике в Кембридже Тьюринг сказал: «Мы пытаемся построить машину, чтобы делать различные вещи просто путем программирования, а не путем добавления дополнительного оборудования» [5].

4. Теория информации

До и во время 1930-х годов инженеры-электрики смогли построить электронные схемы для решения математических и логических задач, но большинство из них делали это специальным образом, не имея никакой теоретической строгости. Все изменилось с публикацией диссертации магистра 1937 году Клода Элвуда Шеннона на тему: Символический анализ релейных соединений и соединение с коммутацией каналов. Шеннон, находясь под воздействием работы Буля, признал, что она может быть использована для организации электромеханических реле для решения логических задач. Эта концепция лежала в основе всех электронных цифровых вычислительных машин.

Шеннон основал новый раздел информатики — теория информации. В 1948 году он опубликовал статью под названием «Математическая теория связи». Идеи из этой статьи применяются в теории вероятностей к решению проблемы, как лучше кодировать информацию, которую хочет передать отправитель. Эта работа является одной из теоретических основ для многих областей исследований, в том числе сжатие данных и криптография.

Из экспериментов с зенитными системами, интерпретирующими радиолокационные изображения для обнаружения вражеских самолетов, Норберт Винер ввел термин кибернетика, в переводе с древнегреческого обозначающий искусство управления. Он опубликовал статью «Кибернетика» в 1948 году, что повлияло на появление искусственного интеллекта. Винер также сравнил вычисления, вычислительную технику, устройства памяти и другие когнитивно сходные понятия со своего рода анализом мозговых волн [6].

Архитектура фон Неймана

В 1946 году была создана модель компьютерной архитектуры, которая стала известна как архитектура фон Неймана. С 1950 года модель фон Неймана обеспечила единство конструкций последующих компьютеров. Архитектура фон Неймана считалась новаторской, поскольку фон Нейман ввел представление, позволяющее использовать машинные команды и распределять области памяти. Модель Неймана состоит из 3 основных частей: арифметическо-логическое устройство, оперативная память и блок управления памятью.

В конструкции машины фон Неймана используется RISC архитектура, позволяющая использовать набор 21 команд для выполнения всех задач. В отличие от RISC, архитектура CISC имеет больше инструкций, из которых можно выбирать. Набор команд составлял адреса, операции и типы данных. В архитектуре фон Неймана оперативная память вместе с аккумулятором являются двумя адресуемыми блоками памяти.

Операции могут быть выполнены в качестве простых арифметических выражений, включающих вычитание, сложение, деление и умножение, условных переходов и логических ходов между различными компонентами машины. Архитектура фон Неймана принимает фракции и инструкции как типы данных. Наконец, как архитектура фон Неймана является простой, так и ее регистры управляются также просто. Архитектура использует набор из семи регистров, чтобы манипулировать и интерпретировать полученные данные и инструкции. Эти регистры включают: регистр команд, буфер инструкций, регистр множителя/частного, регистр адреса ЗУ и память данных регистра. Архитектура также использует программный счетчик для отслеживания стадии нахождения программы [6].

5. Поколения компьютеров

Первое поколение. Компьютеры на электронных лампах

Первое поколение компьютеров зародилось в 40-х годах XX века, В соответствии с общепринятой методикой к компьютерам первого поколения относят ламповые компьютеры, быстродействие которых исчислялось несколькими десятками тысяч операций в секунду.

Первым в мире электронным компьютером считается Колоссус – секретная разработка британского правительства, в разработке которого принимал участие Алан Тьюринг. Колоссус из-за своей секретности не оказал влияния на развитие компьютерной техники, но помог победить во Второй мировой войне.

Первой работающей машиной с архитектурой фон Неймана, в которой данные и программа хранятся в единой универсальной памяти, стала Манчестерская малая экспериментальная машина, созданная в Манчестерском университете в 1948 году. Следующим компьютером первого поколения был Манчестерский Марк I, спроектированный в 1949 году. Марк I был уже полной системой с трубками Уильямса, магнитным барабаном в качестве памяти и индексными регистрами. Другим претендентом на звание «первый цифровой компьютер с хранимой программой» стал EDSAC, который был разработан и сконструирован в Кембриджском университете. На самом деле, EDSAC был создан на основе архитектуры компьютера EDVAC, наследника ENIAC. В отличие от ENIAC, который использовал параллельную обработку, EDVAC располагал единственным обрабатывающим блоком. Такое решение было надежнее и проще, поэтому такой вариант становился первым реализованным после каждой очередной волны миниатюризации. Многие считают, что Манчестерский Марк I, EDSAC и EDVAC стали «Евами», от которых ведут свою архитектуру почти все современные компьютеры.

Внешний вид первого электронного цифрового компьютера ENIAC представлен на рисунке 3.

Отличительными особенностями ламповых компьютеров являются большое количество ламп большого размера, что приводило к огромным размерам самого компьютера; длительные простои при поиске перегоревшей лампы; мощные охладительные системы.

В качестве другим примеров компьютеров первого поколения можно привести Whirlwind I, работающий в реальном времени со словами малой длины, и Компьютер 701 фирмы IBM с последующими моделями, лидирующими на рынке в течение 10 лет [7, 8].

Рисунок 3 – Внешний вид первого электронного цифрового компьютера ENIAC

Второе поколение. Компьютеры на транзисторах

Компьютеры второго поколения появились в 1955 году, их характерной особенностью стало использование транзисторов вместо ламп, что позволило повысить быстродействие до сотен тысяч операций в секунду.

По сравнению с электронными лампами использование транзисторов позволило уменьшить размеры вычислительной техники, увеличить скорость работы, повысить надежность и почти свести на нет теплоотдачу. Во втором поколении компьютеров стали развиваться способы хранения информации: стала широко использоваться магнитная лента, а позже появились диски. В этот период была замечена первая компьютерная игра.

Первый компьютер на транзисторах TX стал прототипом для компьютеров ветки PDP фирмы DEC, которые можно считать родоначальниками компьютерной промышленности, так как появилось явление массовой продажи машин. В 1960 году DEC выпускает свой первый миникомпьютер — PDP-1, предназначенный для использования техническим персоналом в лабораториях и для исследований. В семействе данных компьютеров зафиксировано появление дисплея.

Внешний вид миникомпьютера PDP-1 представлен на рисунке 4.

Фирма IBM также активно трудится, производя уже транзисторные версии своих компьютеров.

Над другими компьютерами того времени имел преимущество Компьютер 6600 фирмы CDC, разработанный Сеймуром Креем. Его отличительными особенностями являлось быстродействие, достигающееся за счет параллельного выполнения команд.

Для компьютеров второго поколения характерно использование первых языков программирования высокого уровня, которые получили свое развитие в компьютерах следующего поколения [7, 8].

Рисунок 4 – Внешний вид миникомпьютера PDP-1

Третье поколение. Компьютеры на интегральных схемах

Компьютеры третьего поколения появились в 1964 году и проектировались на основе интегральных схем малой степени интеграции. Интегральная схема представляет собой электронную схему, которая была вытравлена на кремниевом кристалле и на которой могут умещаться тысячи транзисторов. Следовательно, компьютеры этого поколения были вынуждены стать еще мельче, быстрее и дешевле, что позволяло им проникать в различные сферы деятельности человека и становиться более специализированными.

Быстродействие компьютеров третьего поколения исчислялось миллионами операций в секунду.

Появились операционные системы, которые стали брать на себя задачи управления устройствами ввода-вывода, памятью и другими ресурсами. Вместе с операционными системами появилась и проблема совместимости программного обеспечения под выпускаемые модели. Впервые большое внимание совместимости уделила компания IBM.

В компьютерах третьего поколения было реализовано мультипрограммирование, при котором в памяти находится несколько выполняемых программ, что дает эффект экономии ресурсов процессора.

Пример компьютера на интегральных схемах представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Внешний вид компьютера на интегральных схемах PDP-11

Параллельно с компьютерами третьего поколения продолжали выпускаться компьютеры второго поколения. Так компьютеры «UNIVAC 494» выпускались до середины 1970-х годов.

В начале 60-х годов группой разработчиков фирмы IBM был введен термин «архитектура компьютера», также появились мини-компьютеры. Экономичность мини-компьютеров быстро расширила сферу их применения: автоматизация научных экспериментов, передача данных, управление и подобное. В рамках третьего поколения в 1971 году появился первый микропроцессор, как неожиданный результат работы фирмы Intel над схемами калькуляторов, что положило начало развитию компьютеров четвертого поколения [7, 9].

Четвертое поколение. Компьютеры на больших (и сверхбольших) интегральных схемах

Компьютеры четвертого поколения появились в 1975 году с изобретением больших и сверхбольших интегральных схем. Сверхбольшая интегральная схема называется микропроцессором и способна выполнять функции основного блока компьютера — процессора

В компьютерах четвертого поколения стали использоваться быстродействующие системы памяти на интегральных схемах емкостью несколько мегабайт. Первоначально микропроцессоры встраивались в различные технические устройства: самолеты, автомобили, станки. Такие микропроцессоры осуществляют автоматическое управление работой этой техники.

Быстродействие компьютеров четвертого поколения исчислялось сотнями миллионов операций в секунду. Значительное увеличение быстродействия компьютеров стало доступно в связи с возможностью размещения на одном кристалле не одной интегральной схемы, а тысяч. Количество элементов в кристалле больших интегральных схем доходило до 10 тысяч, а в кристалле сверхбольших интегральных схем измерялось миллионами элементов.

Компьютеры продолжали дешеветь и теперь их покупали даже частные лица, что ознаменовало эру персональных компьютеров. Но частное лицо чаще всего не было профессиональным программистом, для чего потребовалось развитие программного обеспечения.

В конце 70-х – начале 80-х годов XX века популярностью пользовался компьютер Apple, который был разработан Стивом Возняком и Стивом Джобсом. Позднее в массовое производство был запущен персональный компьютер IBM PC на процессоре Intel. Внешний вид IBM PC представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Внешний вид IBM PC

Позднее появились суперскалярные процессоры, которые были способны выполнять множество команд одновременно, а также 64-разрядные компьютеры [7 ,10].

Пятое поколение

В соответствии с идеологией развития компьютерных технологий, после четвертого поколения, построенного на сверхбольших интегральных схемах, ожидалось создание следующего поколения, ориентированного на распределенные вычисления. Одновременно считалось, что пятое поколение станет базой для создания устройств, способных к имитации мышления.

К компьютерам пятого поколения относят Широкомасштабную правительственную программу в Японии по развитию компьютерной индустрии и искусственного интеллекта, предпринятую в 1980-е годы. Целью программы было создание «эпохального компьютера» с производительностью суперкомпьютера и мощными функциями искусственного интеллекта. Разработки начались в 1982 году и закончились в 1992, стоимость разработок составляла порядка 500 миллионов долларов. Программа закончилась провалом, так как не опиралась на четкие научные методики, более того, даже ее промежуточные цели оказались недостижимы в технологическом плане.

Другие источники относят к пятому поколению вычислительных машин так называемые невидимые компьютеры (микроконтроллеры, встраиваемые в бытовую технику, машины и подобные устройства) или карманные компьютеры.

Также существует мнение, что к пятому поколению следует относить компьютеры с двухъядерными процессорами. С этой точки зрения пятое поколение началось примерно с 2005 года.

На сегодняшний день самые мощные компьютеры называют мэйнфреймами. В РФ их называют большими ЭВМ. Большие ЭВМ применяются для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. Штат обслуживания одной большой ЭВМ составляет порядка десятков человек. На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры, включающие в такие отделы или группы, как:

• центральный процессор, являющийся основным блоком обработки и вычисления и представляющий собой несколько стоек аппаратуры в отдельном помещении со специальными требованиями;
• группа системного программирования, занимающаяся разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения;
• группа прикладного программирования, занимающаяся созданием программ для выполнения конкретных операций с данными;
• группа подготовки данных, занимающаяся подготовкой данных для созданных прикладными программистами программ;
• группа технического обеспечения, занимающаяся техническим обслуживанием вычислительной системы, ремонтом, наладкой и подключением устройств;
• группа информационного обеспечения, обеспечивающая технической информацией остальные подразделения по их заказу, также создает и хранит архивы ранее разработанных программ и накопленных данных;
• отдел выдачи данных, получающий данные от центрального процессора и преобразующий их в удобную для заказчика форму.

Мейнфреймы обычно имеют следующие характеристики:

• производительность не менее 10 MIPS;
• основная память емкостью от 64 до 10000 MIPS;
• внешняя память не менее 50 Гбайт;
• многопользовательский режим работы, охватывающий от 16 до 1000 пользователей.

Основными направлениями эффективного применения мейнфреймов являются работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, решение научно-технических задач, управление вычислительными сетями и их ресурсами и работа с большими базами данных. Самым актуальным направлением считается использование мейнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей.

В качестве примеров наиболее мощных мейнфреймов можно привести: IBM 390, IBM 4300, (4331, 4341, 4361, 4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 году, и IBM ES/9000, созданные в 1990 году, а также японские компьютеры M 1800 фирмы Fujitsu [10 ,11].

6. Перспективы развития вычислительной техники и технологий

Вслед за компьютерами пятого поколения ожидается развитие совершенно новых технологий в сферах вычислительной техники и технологий. В качестве наиболее перспективных технологий ближайшего времени можно привести такие, как: Вслед за компьютерами пятого поколения ожидается развитие совершенно новых технологий в сферах вычислительной техники и технологий. В качестве наиболее перспективных технологий ближайшего времени можно привести такие, как кремниевые аноды, самоуправляемые автомобили, запросы на естественном языке, голографические и волюметрические 3D-дисплеи [9].

Кремниевые аноды

Основные направления развития вычислительной техники переместились с процессоров на батареи. При массовом распространении мобильных устройств основной акцент делается не на быстродействие, а на длительность работы. Ближайшим прорывом в этой области ожидаются литий-ионные батареи с кремниевым анодом. С кремниевыми анодами экспериментируют как гиганты вроде Lockheed Martin, так и созданные специально для продвижения этой технологии молодые компании, такие, как британский Nexeon.

Графит, из которого обычно делают анод литий-ионных аккумуляторов, удерживает ионы лития гораздо хуже, чем кремний. За счет этой разницы аккумулятор с кремниевым анодом должен обладать куда более высокой ёмкостью. Но простые кремниевые аноды оказались слишком быстро разрушаются.

Кремниевые аноды нового поколения используют покрытые оксидом кремния кремниевые нанотрубки. Данное отличие делает их гораздо надежнее, не влияя на прочие преимущества кремниевых анодов. Исследователи утверждают, что емкость нового типа литий-ионных аккумуляторов окажется на порядок выше, и при этом они будут быстрее заряжаться и выдерживать большее количество циклов перезарядки [11].

Самоуправляемые автомобили

В 2004 году агентство DARPA, научно-исследовательская ветвь американского военного ведомства, объявило состязание Grand Challenge между командами разработчиков автономных самоуправляемых автомобилей. Задачей соревнования было преодоление автомобилем 217-километрового маршрута по пустыне без вмешательства человека. Из 25 заявленных автомобилей до финиша не добрался никто. В следующем году на том же соревновании до финиша добрались пять команд. Победителем состязания стала команда Стэндфордского университета. Вскоре Себастьян Трун, известный исследователь в области робототехники, руководивший разработкой стэндфордских самоуправляемых автомобилей, возглавил секретный проект в Google.

Исходя из данных исследований, в 2010 году компания Google построила самоуправляемый автомобиль, способный без водителя и специальной разметки передвигаться по обычным дорогам в окружении обычных машин. К середине 2012 года несколько прототипов, изготовленных инженерами Google, без особых происшествий накатали по дорогам США почти полмиллиона километров.

Основой самоуправляемого автомобиля Google является установленный на крыше лазерный дальномер, фиксирующий подробную трехмерную картину окружающего. Затем компьютер сличает ее с хранящейся в базе данных картой, внося поправки с учетом собранной радарами и датчиками информации.

Также исследования в этой области ведут и другие все крупные автопроизводители. В BMW экспериментируют с автономным управлением с 2005 года. В Volvo разрабатывает систему, позволяющую связывать несколько автомобилей в цепочку, автоматически следующую за лидером. В Volksvagen делают бортовой компьютер для автономного управления, который можно устанавливать в обычные машины [10].

Запросы на естественном языке

Распознавание речи и общение на естественном языке являются основными проблемами искусственного интеллекта. В последнее время стал заметен большой прогресс в обеих этих областях.

В мобильные операционные системы стали встраиваться системы распознавания речи, успешно справляющиеся с пониманием английского и других языков. Программа-ассистент Siri компании Apple не только распознает речь, но понимает сказанное, выполняя команды. Алгоритм понимания сказанного ограничен определенными речевыми заготовками, но уже является большим прорывом. Также важен голосовой интерфейс в электронных очках Google Glass. В данном устройстве голосовое управление является основным способом взаимодействия.

На другом краю спектра находится построенный в IBM суперкомпьютер Watson, показывающий, чего можно достичь, когда разработчикам не приходится думать об ограничениях мобильных устройств, скорости связи или загрузке дата-центров. Watson состоит из 90 мощных серверов с суммарной производительностью, составляющей 80 терафлоп, и оперативной памятью емкостью 18 терабайт. Главная задача Watson состоит в обработке запросов на естественном языке. В 2011 году Watson участвовал в телеигре Jeopardy и легко одолел людей-оппонентов. Более мощная версия Watson, которая существует сегодня, будет анализировать медицинские данные и рекомендовать наиболее подходящие методы лечения пациентов [12].

Голографические и волюметрические 3D-дисплеи

В сфере данной технологии получено мало огласки, но, например, корпорация HP сообщила о создании стереодисплея, который позволяет без специальных очков рассматривать происходящее на экране с разных сторон. Прототипы искусственно генерирующих голографическую интерференционную картину дисплеев тоже существуют. Их, например, производит компания Zebra Imaging [12].

Заключение

История компьютерной техники ведет свое начало с первых вычислительных приборов, которыми являлись счетные палочки. Первая счетная машина была сконструирована в 1642 году, а первый электронный компьютер был создан во времена Второй Мировой Войны. С тех пор компьютеры преодолели четыре поколения: электронные лампы, транзисторы, интегральные схемы и микропроцессоры; и вплотную подошли к пятому поколению развития.

В данной работе рассмотрены этапы возникновения информационных технологий, начиная с шумерских абаков и заканчивая машиной фон Неймана. Возникновение вычислительной техники разделено на этапы ранних упоминаний, аналитических устройств, зарождения математических основ и появления первых компьютеров.

Во второй части работы были выделены четыре классических поколения общепринятой трактовки истории развития компьютеров и различные мнения касательно пятого поколения. Первое поколение характеризуется быстродействием в несколько десятков тысяч операций в секунду и наличием большого количества ламп большого размера, приводящих к огромным размерам самого компьютера. Второе поколение характеризуется использованием транзисторов вместо ламп и определяется быстродействием в сотни тысяч операций в секунду. Третье поколение проектировалось на основе интегральных схем малой степени интеграции и определялось быстродействием в миллионы операций в секунду. В четвертом поколении стали использоваться быстродействующие системы памяти на интегральных схемах емкостью несколько мегабайт, а быстродействие стало исчисляться сотнями миллионов операций в секунду. К компьютерам пятого поколения относят неудавшуюся японскую программу, но существуют также и другие мнения.

Список используемой литературы

1. Бастриков М. В. Информационные технологии управления: Учебное пособие / М. В. Бастриков, О. П. Пономарев. — Калининград: Ин-та «КВШУ», 2005. — 140 с.
2. Хопкрофт Д. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений / Д. Хопкрофт, Р. Мотвани, Д. Ульман. — М.: «Вильямс», 2002. — 528 с.
3. Норенков И. П. Краткая история вычислительной техники и информационных технологий. // Наука и образование: Приложение к журналу «Информационные технологии» / И. П. Норенков. — 2005. — № 9.
4. Поспелов Д. А. Прикладная семиотика // Новости искусственного интеллекта / Д. А. Поспелов, Г. С. Осипов. — 1999. — № 1. — С. 9-35.
5. Алешин Л. И. Информационные системы и технологии // Информационные технологии / Л. И. Алешин, Н. В. Максимов. — Литера, 2008. — 424 с.
6. Таненбаум Э. Архитектура компьютера / Э. Таненбаум. – СПб.:Питер, 2011. – 1268 с.
7. Леонтьев В. Новейшая энциклопедия персонального компьютера / В. Леонтьев. – М: ОЛМО – ПРЕСС, 1999. – 640 с.
8. Орлов С. А. Организация ЭВМ и систем / С. А. Орлов, Б. Я. Цилькер. – СПб.: Питер, 2011. – 688 с.
9. Тихонов К. Десять перспективных технологий, о которых через несколько лет узнают все // Компьютерра / К. Тихонов. – 2013. – №3.
10. Симонович С. Информатика. Базовый курс / С. Симонович. – СПб.:Питер, 2016. – 640 с.
11. Паттерсон Д. Архитектура компьютера и проектирование компьютерных систем / Д. Паттерсон, Д. Хеннеси. – СПб.: Питер, 2012. – 784 с.
12. Горнец Н. Н. ЭВМ и периферийные устройства. Компьютеры и вычислительные системы / Н. Н. Горнец, А. Г. Рощин. – М.:Academia, 2012 – 240 с.