История развития вычислений до появления ЭВМ

     Новый инструмент — ЭВМ — служит человеку пока лишь чуть больше полвека. ЭВМ  — одно из величайших изобретений  середины XX века, изменивших человеческую жизнь во многих ее проявлениях. Вычислительная техника превратилась в один из рычагов  обеспечивающих развитие и достижения научно-технического прогресса. Первым создателем автоматической вычислительной машины считается немецкий учёный К. Цузе. Работы им начаты в 1933 году, а в 1936 году он построил модель механической вычислительной машины, в которой  использовалась двоичная система счисления, форма представления чисел с  «плавающей» запятой, трёхадресная система программирования и перфокарты. В качестве элементной базы Цузе выбрал реле, которые к тому времени давно  применялись в различных областях техники. В 1938 году Цузе изготовил модель машины Z1 на 16 слов; в следующем году модель Z2, а еще через два года он построил первую в мире действующую  вычислительную машину с программным  управлением (модель Z3), которая демонстрировалась  в Германском научно-исследовательском  центре авиации. Это был релейный двоичный компьютер, имеющий память на 64 22-разрядных числа с плавающей  запятой: 7 разрядов для порядка и 15 разрядов для мантиссы. К несчастью, все эти образцы машин были уничтожены во время бомбардировок  в ходе Второй мировой войны. После  войны Цузе изготовил модели Z4 и Z5. К. Цузе в 1945 году создал язык Plankalkul (от немецкого «исчисление планов»), который относится к ранним формам алгоритмических языков. Этот язык был большей степени машинно-ориентированным, но по некоторым возможностям превосходил АЛГОЛ.

     Независимо  от Цузе построением релейных автоматических вычислительных машин занимались в  США Д. Штибитц и Г. Айкен.

     Д. Штибитц, тогда работавший в фирме Bell, собрал на телефонных реле первые суммирующие  схемы. В 1940 году вместе с С. Уильямсом  Штибитц построил «вычислитель комплексных  чисел», или релейный интерпретатор, который последствии стал известен как специализированный релейный компьютер  «Bell-модель 1». В этом же году машина демонстрировалась на заседании  Американского математического  общества, где были проведены её первый промышленные испытания. В последующие  годы были созданы ещё четыре модели этой машины. Последняя из них разработана  Штибитцем в 1946 году (модель V) — это  был компьютер общего назначения, содержащий 9000 реле и занимающий площадь  почти 90 м², вес устройства составлял составлял 10 т.

     Другую  идею релейного компьютера выдвинул в 1937 году аспирант Гарвардского университета Г. Айкен. Его идеей заинтересовалась фирма IBM. В помощь Айкену подключили бригаду инженеров во главе с  К. Лейком. Работа по проектированию и  постройки машины, названной «Марк-1», началась в 1939 году и продолжалась 5 лет. Машина состояла из стандартных  деталей, выпускаемых IBM в то время. Электронные лампы при создании вычислительной машины были впервые  применены американским профессором  физики и математики Д. Атанасовым. Атанасов работал над проблемой  автоматизации решения больших  систем линейных уравнений. В декабре 1939 году Атанасов окончательно сформулировал  и осуществил на практике свои основные идеи, создав вместе с К. Берри работающую настольную модель машины. После этого  он приступил к созданию машины, способной решить систему с 29 неизвестными.

     Память  машины была энергоёмкая — использовалось 1632 бумажных конденсатора. Всего использовалось 300 электронных ламп. К весне 1942 г. когда монтаж машины был почти  завершен, США уже находилось в  состоянии войны с Германией, и, к несчастью, проект был свёрнут.

     В 1942 году профессор электротехнической школы Мура Пенсильванского университета Д. Маучли представил проект «Использование быстродействующих электронных  устройств для вычислений», положивший начало созданию первой электронной  вычислительной машины ENIAC. Около года проект пролежал без движения, пока им не заинтересовалась Баллистическая исследовательская лаборатория  армии США. В 1943 году под руководством Д. Маучли и Д. Эккерта были начаты работы по созданию ENIAC, демонстрация состоялась 15 февраля 1946 года. Новая машина имела  «впечатляющие» параметры: 18000 электронных  ламп, площадь 90 × 15 м², весила 30 т и потребляла 150 кВт. ENIAC работала с тактовой частотой 100 кГц и выполняла сложение за 0,2 мс, а умножение — за 2,8 мс, что было на три порядка быстрее, чем это могли делать релейные машины. По своей структуре ЭВМ ENIAC напоминала механические вычислительные машины.

     Долгое  время считалось, что ENIAC единственный электронный компьютер, но в 1975 году Великобритания сообщила о том, что  уже с декабря 1945 года в государственном  институте Блетчли-Парк работал  первый программируемый ЭВМ «Колосс», но для правильной оценки компьютера Англия не предоставила много данных.

     С точки  зрения архитектуры ЭВМ с хранимой в памяти программой революционными были идеи американского математика, Члена Национальной АН США и американской академии искусств и наук Джона фон  Неймана (1903—1957). Эти идеи были изложены в статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства», написанная вмести с А. Берксом и Г. Голдстайном  и опубликованная в 1946 году.

     Вот как представлял фон Нейман свою ЭВМ:

     Машина  должна состоять из основных органов: орган арифметики, памяти, управления и связи с оператором, чтобы  машина не зависела от оператора.

     Она должна запоминать не только цифровую информацию, но и команды, управляющие  программой, которая должна проводить  операции над числами.

     ЭВМ должна различать числовой код команды  от числового кода числа.

     У машины должен быть управляющий орган для  выполнения команд, хранящихся в памяти.

     В ней  также должен быть арифметический орган  для выполнения арифметических действий.

     И, наконец, в её состав должен входить орган  ввода-вывода.

     В 1945 г. Англия приступила к созданию первой машины с неймовским типом памяти. Работа была возглавлена Т. Килбрном из Манчестерского университета и Ф. Вильямсем из Кембриджского. Уже 21 июня 1948 года Т. Килбрн и Ф. Вильямс просчитали первую программу на ЭВМ «Марк-1» (одинаковое название с машиной Айкена).

     Другая  группа во главе с М. Уилксом 6 мая 1949 года произвела первые расчёты  машине того же типа — EDSAC.

     Вскоре  были построены ещё машины EDVAC (1950 г.), BINAC и SEAC.

     В ноябре месяце того же года в Киевской лаборатории  моделирования и вычислительной техники Института электротехники АН УССР под руководством академика  С. А. Лебедева была создана первая советская  ЭВМ — МЭСМ. МЭСМ была принципиально  новой машиной, так как профессор  Лебедев применил принцип параллельной обработки слов.

4. Поколения и развитие вычислительной техники
12. Поколение первое. Компьютеры на электронных лампах.

     Компьютеры  на основе электронных ламп появились  в 40-х годах XX века. Первая электронная  лампа - вакуумный диод - была построена  Флемингом лишь в 1904 году, хотя эффект прохождения электрического тока через  вакуум был открыт Эдисоном в 1883 году. Вскоре Ли де Форрест изобретает вакуумный  триод - лампу с тремя электродами, затем появляется газонаполненная  электронная лампа - тиратрон, пятиэлектродная  лампа - пентод и т. д. До 30-х годов  электронные вакуумные и газонаполненные  лампы использовались главным образом  в радиотехнике. Но в 1931 году англичанин Винни-Вильямс построил (для нужд экспериментальной физики) тиратронный  счетчик электрических импульсов, открыв тем самым новую область  применения электронных ламп. Электронный  счетчик состоит из ряда триггеров. Триггер , изобретенный М. А. Бонч-Бруевичем (1918)и - независимо - американцами У. Икклзом  и Ф. Джорданом (1919), содержит 2 лампы  и в каждый момент может находиться в одном из двух устойчивых состояний; он представляет собой электронное  реле. Подобно электромеханическому, оно может быть использовано для  хранения одной двоичной цифры.

     Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало  множество проблем. Из-за того, что  высота стеклянной лампы - 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так  как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много  времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для  эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались специальные  системы охлаждения.

     Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройств  ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штеккера с нужным гнездом.

     Примерами машин I-го поколения могут служить Mark 1, ENIAC, EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), - первая машина с хранимой программой. UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый экземпляр Юнивака был передан в Бюро переписи населения США. Позднее было создано много разных моделей Юнивака, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, Юнивак стал первым серийным компьютером. Кроме того, это был первый компьютер, где вместо перфокарт использовалась магнитная лента.

13. Поколение второе. Транзисторные компьютеры.

     1 июля 1948 года на одной из страниц  "Нью-Йорк Таймс", посвященной  радио и телевидению, было помещено  скромное сообщение о том, что  фирма "Белл телефон лабораториз"  разработала электронный прибор, способный заменить электронную  лампу. Физик-теоретик Джон Бардин  и ведущий экспериментатор фирмы  Уолтер Брайттен создали первый  действующий транзистор. Это был  точечно-контактный прибор, в котором  три металлических "усика"  контактировали с бруском из  поликристаллического германия.

     Первые  компьютеры на основе транзисторов появились  в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов были созданы более  компактные внешние устройства, что  позволило фирме Digital Equipment выпустить  в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник (!!) и стоимостью всего 20 тыс. долларов (!!) .

     Созданию  транзистора предшествовала упорная, почти 10-летняя работа, которую еще  в 1938 году начал физик теоретик Уильям Шокли. Применение транзисторов в качестве основного элемента в ЭВМ привело  к уменьшению размеров компьютеров  в сотни раз и к повышению  их надежности.

     И все-таки самой удивительной способностью транзистора  является то, что он один способен трудиться  за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных  ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Увеличился объем памяти, а магнитную ленту, впервые примененную в ЭВМ Юнивак, начали использовать как для ввода, так и для вывода информации. А в середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках. Большие достижения в архитектуре компьютеров позволило достичь быстродействия в миллион операций в секунду! Примерами транзисторных компьютеров могут послужить "Стретч" (Англия), "Атлас" (США). В то время СССР шел в ногу со временем и выпускал ЭВМ мирового уровня (например "БЭСМ-6").

14. Поколение третье. Интегральные схемы.

     Подобно тому, как появление транзисторов привело к созданию второго поколения  компьютеров, появление интегральных схем ознаменовало собой новый этап в развитии вычислительной техники - рождение машин третьего поколения. Интегральная схема, которую также  называют кристаллом, представляет собой  миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого  кристалла площадью около 10 мм².

     Первые  интегральные схемы (ИС) появились в 1964 году. Сначала они использовались только в космической и военной технике. Сейчас же их можно обнаружить где угодно, включая автомобили и бытовые приборы. Что же качается компьютеров, то без интегральных схем они просто немыслимы!

     Появление ИС означало подлинную революцию  в вычислительной технике. Ведь она  одна способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь  уже заменил 40 электронных ламп. Другими словами, один крошечный  кристалл обладает такими же вычислительными  возможностями, как и 30-тонный Эниак! Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.

     Ко  всем достоинствам ЭВМ третьего поколения  добавилось еще и то, что их производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. Благодаря  этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. А это, в свою очередь, привело к росту  спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные  для решения самых различных  задач. Большинство созданных до этого ЭВМ являлись специализированными  машинами, на которых можно было решать задачи какого-то одного типа.

15. Поколение четвертое. Большие интегральные схемы.

     Как известно, электромеханические детали счетных машин уступили место электронным лампам, которые в свою очередь уступили место транзисторам, а последние - интегральным схемам. Могло создастся впечатление, что технические возможности ЭВМ исчерпаны. В самом деле, что же можно еще придумать?

     Чтобы получить ответ на этот вопрос, давайте  вернемся к началу 70-х годов. Именно в это время была предпринята  попытка выяснить, можно ли на одном  кристалле разместить больше одной интегральной схемы. Оказалось, можно! Развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном-единственном кристалле тысячи интегральных схем. Так, уже в 1980 году, центральный процессор небольшого компьютера оказался возможным разместить на кристалле, площадью всего в четверть квадратного дюйма (1,61 см²). Началась эпоха микрокомпьютеров.