Файл: История и перспективы развития компьютеров Вычисления до компьютеров.pptx

История и перспективы развития компьютеров

Вычисления до компьютеров

• С незапамятных времён люди стремились облегчить себе вычисления. Первым счётным «прибором» были пальцы рук. Позднее для расчётов стали использоваться различные приспособления, такие как абак (в простейшем варианте — это дощечка, на которой раскладывались камешки), его русский вариант — счёты

Первая механическая вычислительная машина была изготовлена известным французским учёным Блезом Паскалем в 1645 г. В дальнейшем было создано множество подобных машин (их часто называли арифмометрами), но все они могли работать лишь при непосредственном участии человека. Идея об автоматических вычислениях по программе впервые была разработана английским учёным Чарльзом Бэббиджем. Он спроектировал и описал Аналитическую машину, набор устройств и принципы действия которой фактически повторились в компьютерах XX века. Бэббидж посвятил всю свою жизнь работе над машиной, но построить её из механических деталей не удалось: уровень техники XIX века не позволял изготовить столь сложный и точный механизм. Работающую программируемую вычислительную машину смогли создать только с появлением электронных схем в середине XX века.

• Первая механическая вычислительная машина была изготовлена известным французским учёным Блезом Паскалем в 1645 г. В дальнейшем было создано множество подобных машин (их часто называли арифмометрами), но все они могли работать лишь при непосредственном участии человека. Идея об автоматических вычислениях по программе впервые была разработана английским учёным Чарльзом Бэббиджем. Он спроектировал и описал Аналитическую машину, набор устройств и принципы действия которой фактически повторились в компьютерах XX века. Бэббидж посвятил всю свою жизнь работе над машиной, но построить её из механических деталей не удалось: уровень техники XIX века не позволял изготовить столь сложный и точный механизм. Работающую программируемую вычислительную машину смогли создать только с появлением электронных схем в середине XX века.

Поколения компьютеров

• Прогресс вычислительной техники во многом определялся развитием её элементной базы, т. е. тех базовых деталей (элементов), из которых собирались все устройства электронных машин. В истории вычислительной техники было четыре типа таких базовых элементов , поэтому говорят о четырёх поколениях компьютеров.

---

• Компьютеры первого поколения (примерно 1945—1955 годы) работали на электронных лампах. Первой электронно-вычислительной машиной (ЭВМ 1)), которая могла выполнять вычисления по заложенной в неё программе, принято считать ЭНИАК (сокращение от английского словосочетания Electronic Numeric Integrator and Computer) . Эта ЭВМ была построена в 1944 году в США.

•  Второе поколение (примерно 1955—1965 годы) появилось тогда, когда на смену лампам в электронных схемах пришли транзисторы — приборы для управления электрическими сигналами на основе кристаллов кремния. На транзисторах удалось собрать логические элементы для выполнения вычислений и элементы памяти.
• Появление третьего поколения ЭВМ (примерно 1967-1975 годы) связано с изобретением интегральной микросхемы. Так называется кристалл, в котором размещается целая электронная схема: несколько транзисторов, резисторы, конденсаторы и другие радиодетали.

• Казалось бы, размеры этих ЭВМ снова должны были существенно уменьшиться, но этого не произошло. Дело в том, что ЭВМ третьего поколения были предназначены для коллективной (многопользовательской) работы. Это было время крупных вычислительных центров, предоставлявших услуги огромному числу пользователей. Поэтому главное внимание уделялось не уменьшению размеров и стоимости машин, а повышению их вычислительной мощности при обработке больших объёмов данных.
• В это время начали выпускать семейства вычислительных машин, которые совместимы между собой как аппаратно (все устройства сконструированы по одинаковым стандартам), так и программно (имеют одинаковую систему команд).
• Впервые идею общей архитектуры, обеспечивающей выполнение написанных ранее программ на любой новой модели, предложила фирма IBM, которая разработала семейства больших ЭВМ IBM/360 и IBM/370.

• Важное направление в компьютерах четвёртого поколения — параллельная (одновременная) обработка данных. Если задачу удаётся разбить на независимые друг от друга подзадачи, то их не обязательно выполнять друг за другом, они могут для экономии времени работать одновременно. Правда, для этого требуется несколько процессоров, но современный уровень техники это позволяет. Более того, в последние годы построены многоядерные процессоры, т. е. несколько процессоров «упакованы» в одном кристалле.
• Мощные многопроцессорные компьютеры, в которых выполняется параллельная обработка данных, называют суперкомпьютерами. Это уникальные устройства, поэтому они изготавливаются штучно. В литературе часто упоминаются суперкомпьютеры серии CRAY, разработанные под руководством Сеймура Крэя.

---

• Все развитые страны ведут жёсткую конкуренцию в области суперкомпьютеров, поскольку обладание такой техникой позволяет решать стратегически важные вычислительные задачи: • исследование геофизики Земли, прогнозирование изменений климата на планете; • создание математических моделей молекул (полимеров, кристаллов и т. п.), синтез новых материалов и лекарств; • расчёт процессов горения и взрыва, а также моделирование других физических задач (полёт летательных аппаратов, расчёт на прочность кузовов автомобилей); • моделирование и прогнозирование ситуации в экономике; • моделирование работы человеческого мозга; • расчеты процессов нефте- и газодобычи, а также сейсморазведки недр; • проектирование новых электронных устройств.

•  Настоящая революция в информационных технологиях связана с появлением разнообразных мобильных компьютеров: ноутбуков, планшетных компьютеров, смартфонов, электронных книг. Многие из них имеют сенсорные экраны и могут выполнять функции мобильного телефона и GPS-навигатора.

Рост возможностей компьютеров

С каждым новым поколением вычислительных машин развивались их аппаратные возможности. ЭВМ становились всё более мощными и универсальными. Одновременно с этим увеличивалось разнообразие и сложность внешних устройств, присоединяемых к ЭВМ. В самых первых ЭВМ данные вводились с помощью переключателей, а выводились на индикаторные лампочки. Потом появились клавиатуры и устройства ввода с перофлент и перфокарт, где двоичные данные кодировались в виде отверстий на бумажных лентах и карточках .

• Для вывода стали использоваться печатающие устройства; сначала они могли выводить на бумагу только столбики цифр, потом — буквы и другие символы. Для построения графиков и чертежей были разработаны графопостроители.
• Мониторы (сначала текстовые, а затем и графические) значительно облегчили общение человека с компьютером. Были созданы устройства памяти на магнитных лентах и дисках

Перспективы развития компьютеров

• Все современные компьютеры построены на основе идей четвёртого поколения. Для движения вперёд нужны новые идеи.
• Разработчики процессоров постоянно стремятся повысить скорость их работы (быстродействие). К сожалению, в последние годы быстродействие процессоров практически не растёт. Дело в том, что увеличивать его бесконечно не получится из-за ограничений, связанных с действием законов физики.
• Для того чтобы обрабатывать данные, части процессора должны обмениваться сигналами. Скорость передачи электрических сигналов огромна, но не бесконечна — она не может быть больше, чем скорость света в вакууме. Поэтому единственный способ снизить время передачи данных — уменьшить размеры элементов процессора. Но при этом появляются другие проблемы. • Во-первых, чем мельче детали, тем сложнее их изготовить с нужной точностью. • Во-вторых, при обмене сигналами электронные схемы сильно нагреваются и при перегреве могут перестать работать. Чем мельче элементы, тем труднее охладить процессор. • В-третьих, если проводники, проводящие электрический ток, расположить слишком близко, между ними может произойти короткое замыкание, и вся схема выйдет из строя.

---

Выводы

• Выделяют четыре поколения компьютеров в зависимости от элементной базы. • Компьютеры первого поколения (1945-1955) строились на электронных лампах, второго поколения (1955-1965) — на транзисторах, третьего поколения (1965-1975) — на интегральных микросхемах, четвёртого поколения (после 1975) — на сверхбольших интегральных микросхемах. • Современные компьютеры вплотную подошли к пределу быстродействия, достижимого для электронных приборов. • Наиболее перспективные направления развития компьютерной техники — квантовые компьютеры, биокомпьютеры и нанокомпьютеры.

---