Файл: История развития средств вычислительной техники (Ранние приспособления и устройства для счёта).pdf

Компьютер Атанасова—Берри

В 1939 году Джон Атанасов и Клиффорд Берри из Университета штата Айова разработали Atanasoff-Berry Computer (ABC). Это был первый в мире электронный цифровой компьютер. Конструкция насчитывала более 300 электровакуумных ламп, в качестве памяти использовался вращающийся барабан. Несмотря на то, что машина ABC не была программируемой, она была первой, использовавшей электронные лампы в сумматоре. Соизобретатель ENIAC Джон Мокли изучал ABC в июне 1941 года, и между историками существуют споры о степени его влияния на разработку машин, последовавших за ENIAC. ABC был почти забыт до тех пор, пока в центре внимания не оказался иск «Honeywell против Sperry Rand», постановление по которому аннулировало патент на ENIAC (и некоторые другие патенты) из-за того, что, помимо других причин, работа Атанасова была выполнена раньше.

В 1939 году в Endicott laboratories в IBM началась работа над Harvard Mark I. Официально известный как Automatic Sequence Controlled Calculator, Mark I был электромеханическим компьютером общего назначения, созданным с финансированием IBM и при помощи со стороны персонала IBM под руководством гарвардского математика Говарда Айкена. Проект компьютера был создан под влиянием Аналитической машины Ч. Бэббиджа с использованием десятичной арифметики, колёс для хранения данных и поворотных переключателей в дополнение к электромагнитным реле. Машина программировалась с помощью перфоленты и имела несколько вычислительных блоков, работавших параллельно. Более поздние версии имели несколько считывателей с перфоленты, и машина могла переключаться между считывателями в зависимости от состояния. Тем не менее, машина была не совсем Тьюринг-полной. Mark I был перенесён в Гарвардский университет и начал работу в мае 1944 года.

«ЭНИАК»

ЭНИАК выполнял баллистические расчёты и потреблял мощность в 160 кВт

Американский ENIAC, который часто называют первым электронным компьютером общего назначения, публично доказал применимость электроники для масштабных вычислений. Это стало ключевым моментом в разработке вычислительных машин, прежде всего из-за огромного прироста в скорости вычислений, но также и по причине появившихся возможностей для миниатюризации. Созданная под руководством Джона Мокли и Дж. Преспера Экерта, эта машина была в 1000 раз быстрее, чем все другие машины того времени. Разработка «ЭНИАК» продлилась с 1943 до 1945 года. В то время, когда был предложен данный проект, многие исследователи были убеждены, что среди тысяч хрупких электровакуумных ламп многие будут сгорать настолько часто, что «ЭНИАК» будет слишком много времени простаивать в ремонте, и, тем самым, будет практически бесполезен. Тем не менее, на реальной машине удавалось выполнять несколько тысяч операций в секунду в течение нескольких часов, до очередного сбоя из-за сгоревшей лампы.

«ЭНИАК», безусловно, удовлетворяет требованию полноты по Тьюрингу. Но «программа» для этой машины определялась состоянием соединительных кабелей и переключателей — огромное отличие от машин с хранимой программой, появившихся у Конрада Цузе в 1940 году. Тем не менее, в то время вычисления, выполнявшиеся без помощи человека, рассматривались как достаточно большое достижение, и целью программы было тогда решение только одной единственной задачи. (Улучшения, которые были завершены в 1948 году, дали возможность исполнения программы, записанной в специальной памяти, что сделало программирование более систематичным, менее «одноразовым» достижением).

Переработав идеи Экерта и Мокли, а также оценив ограничения «ЭНИАК», Джон фон Нейман написал широко цитируемый отчёт, описывающий проект компьютера (EDVAC), в котором и программа, и данные хранятся в единой универсальной памяти. Принципы построения этой машины стали известны под названием «архитектура фон Неймана» и послужили основой для разработки первых по-настоящему гибких универсальных цифровых компьютеров.

Глава 11. Первое поколение компьютеров с архитектурой фон Неймана

Первой работающей машиной с архитектурой фон Неймана стала Манчестерская малая экспериментальная машина, созданная в Манчестерском университете в 1948 году; в 1949 году за ним последовал компьютер Манчестерский Марк I, который уже был полной системой, с трубками Уильямса и магнитным барабаном в качестве памяти, а также с индексными регистрами. Другим претендентом на звание «первый цифровой компьютер с хранимой программой» стал EDSAC, разработанный и сконструированный в Кембриджском университете. Заработавший менее чем через год после «Baby», он уже мог использоваться для решения реальных задач. На самом деле, EDSAC был создан на основе архитектуры компьютера EDVAC, наследника ENIAC. В отличие от ENIAC, использовавшего параллельную обработку, EDVAC располагал единственным обрабатывающим блоком. Такое решение было проще и надёжнее, поэтому такой вариант становился первым реализованным после каждой очередной волны миниатюризации. Многие считают, что Манчестерский Марк I / EDSAC / EDVAC стали «Евами», от которых ведут свою архитектуру почти все современные компьютеры.

Первым универсальным программируемым компьютером в континентальной Европе был Z4 Конрада Цузе, завершённый в сентябре 1950 года. В ноябре того же года командой учёных под руководством Сергея Алексеевича Лебедева из Киевского института электротехники, УССР, была создана так называемая «малая электронная счётная машина» (МЭСМ). Она содержала около 6000 электровакуумных ламп и потребляла 15 кВт. Машина могла выполнять около 3000 операций в секунду. Другой машиной того времени была австралийская CSIRAC, которая выполнила свою первую тестовую программу в 1949 году.

В октябре 1947 года директора компании Lyons & Company, британской компании, владевшей сетью магазинов и ресторанов, решили принять активное участие в развитии коммерческой разработки компьютеров. Компьютер LEO I начал работать в 1951 году и впервые в мире стал регулярно использоваться для рутинной офисной работы.

Машина Манчестерского университета стала прототипом для Ferranti Mark I. Первая такая машина была доставлена в университет в феврале 1951 года, и, по крайней мере, девять других были проданы между 1951 и 1957 годами.

В июне 1951 года UNIVAC 1 был установлен в Бюро переписи населения США. Машина была разработана в компании Remington Rand, которая, в конечном итоге, продала 46 таких машин по цене более чем в $1 млн за каждую. UNIVAC был первым массово производившимся компьютером; все его предшественники изготовлялись в единичном экземпляре. Компьютер состоял из 5200 электровакуумных ламп и потреблял 125 кВт энергии. Использовались ртутные линии задержки, хранящие 1000 слов памяти, каждое по 11 десятичных цифр плюс знак (72-битные слова). В отличие от машин IBM, оснащавшихся устройством ввода с перфокарт, UNIVAC использовал ввод с металлизированной магнитной ленты стиля 1930-х, благодаря чему обеспечивалась совместимость с некоторыми существовавшими коммерческими системами хранения данных. Другими компьютерами того времени использовался высокоскоростной ввод с перфоленты и ввод-вывод с использованием более современных магнитных лент.

Первой советской серийной ЭВМ стала Стрела, производившаяся с 1953 года на Московском заводе счётно-аналитических машин. «Стрела» относится к классу больших универсальных ЭВМ (Мейнфрейм) с трёхадресной системой команд. ЭВМ имела быстродействие 2000-3000 операций в секунду. В качестве внешней памяти использовались два накопителя на магнитной ленте ёмкостью 200 000 слов, объём оперативной памяти — 2048 ячеек по 43 разряда. Компьютер состоял из 6200 ламп, 60 000 полупроводниковых диодов и потреблял 150 кВт энергии.

В 1954 году IBM выпускает машину IBM 650, ставшую довольно популярной — всего было выпущено более 2000 машин. Она весит около 900 кг, и ещё 1350 кг весит блок питания; оба модуля имеют размер примерно 1,5 × 0,9 × 1,8 метров. Цена машины составляет $0,5 млн (около $4 млн в пересчёте на 2011 год) либо может быть взята в лизинг за $3 500 в месяц ($30 000 на 2011 год). Память на магнитном барабане хранит 2000 10-знаковых слов, позже память была увеличена до 4000 слов. По мере исполнения программы инструкции считывались прямо с барабана. В каждой инструкции был задан адрес следующей исполняемой инструкции. Использовался компилятор Symbolic Optimal Assembly Program (SOAP), который размещал инструкции по оптимальным адресам, так, чтобы следующая инструкция читалась сразу и не требовалось ждать, пока барабан повернётся до нужного ряда.

В 1955 году Морис Уилкс изобретает микропрограммирование, принцип, который позднее широко используется в микропроцессорах самых различных компьютеров. Микропрограммирование позволяет определять или расширять базовый набор команд с помощью встроенных программ (которые носят названия микропрограмма или firmware).

В 1956 году IBM впервые продаёт устройство для хранения информации на магнитных дисках — RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Оно использует 50 металлических дисков диаметром 24 дюйма, по 100 дорожек с каждой стороны. Устройство хранило до 5 МБ данных и стоило по 10 000 $ за МБ. (В 2006 году подобные устройства хранения данных — жёсткие диски — стоят около 0,001 $ за Мб.)

Глава 12. 1950-е — начало 1960-х: второе поколение

Следующим крупным шагом в истории компьютерной техники стало изобретение транзистора в 1947 году. Они стали заменой хрупким и энергоёмким лампам. О компьютерах на транзисторах обычно говорят как о «втором поколении», которое преобладало в 1950-х и начале 1960-х. Благодаря транзисторам и печатным платам было достигнуто значительное уменьшение размеров и объёмов потребляемой энергии, а также повышение надёжности. Например, IBM 1620 на транзисторах, ставшая заменой IBM 650 на лампах, была размером с письменный стол. Однако компьютеры второго поколения по-прежнему были довольно дороги и поэтому использовались только университетами, правительствами, крупными корпорациями.

Компьютеры второго поколения обычно состояли из большого количества печатных плат, каждая из которых содержала от одного до четырёх логических вентилей или триггеров. В частности, IBM Standard Modular System определяла стандарт на такие платы и разъёмы подключения для них. Первые полупроводниковые компьютеры строились на германиевых транзисторах, потом им на смену пришли более дешёвые кремниевые. Логика строилась на биполярных транзисторах и прошла эволюцию от РТЛ, ТТЛ до ЭСЛ-логики. Им на смену пришли полевые транзисторы, на основе которых строились простейшие микросхемы уже для компьютеров третьего поколения.

Концепция ЭВМ 1950-х годов предполагала наличие дорогостоящего вычислительного центра с собственным персоналом. Содержание таких ЭВМ могли себе позволить лишь крупные корпорации и государственные структуры (а также ряд крупных университетов). В общей сложности в 1958 году существовало только 1700 ЭВМ всех разновидностей в пользовании 1200 организаций. Однако в течение нескольких последующих лет были выпущены тысячи, а затем десятки тысяч компьютеров, и они впервые стали широко доступны для среднего бизнеса и научных работников.

Следует отметить, что без рывка в сфере вычислительной техники, сделанного в 1940-е гг. и чётко сформулированного технического задания к разработчикам такого рода, вычислительная техника не только не развилась бы до современных компьютеров, но по всей вероятности осталась бы на уровне довоенного периода (что показали опыты Цузе, создавшего гениальные и революционные для своего времени образцы вычислительной техники, совершенно невостребованной ни государственными структурами, ни общественными институтами). Фактически, появлением первых компьютеров, а затем суперкомпьютеров и стремительному рывку в развитии вычислительной техники, началу серийного производства компьютеров, формированием компьютерной индустрии со всеми сопутствующими отраслями (индустрии программных продуктов, компьютерных игр и т. д.) человечество обязано опытам по автоматизации баллистических вычислений Второй мировой войны в Великобритании и в меньшей степени в США.

В 1959 году на основе транзисторов IBM выпустила мейнфрейм IBM 7090 и машину среднего класса IBM 1401. Последняя использовала перфокарточный ввод и стала самым популярным компьютером общего назначения того времени: в период 1960—1964 гг. было выпущено более 100 тыс. экземпляров этой машины. В ней использовалась память на 4000 символов (позже увеличенная до 16 000 символов). Многие аспекты этого проекта были основаны на желании заменить перфокарточные машины, которые широко использовались начиная с 1920-х до самого начала 1970-х гг.

В 1960 году IBM выпустила транзисторную IBM 1620, изначально только перфоленточную, но вскоре обновлённую до перфокарт. Модель стала популярна в качестве научного компьютера, было выпущено около 2000 экземпляров. В машине использовалась память на магнитных сердечниках объёмом до 60 000 десятичных цифр.

В том же 1960 году DEC выпустила свою первую модель — PDP-1, предназначенную для использования техническим персоналом в лабораториях и для исследований. Этот относительно мощный по тем временам компьютер (100 тыс. операций в секунду) имел довольно компактные размеры (занимал пространство размером с бытовой холодильник).

В 1961 году Burroughs Corporation выпустила B5000, первый двухпроцессорный компьютер с виртуальной памятью на основе подкачки сегментов. Другими уникальными особенностями были стековая архитектура, адресация на основе дескрипторов, и отсутствие программирования напрямую на языке ассемблера.

В 1962 году совместно Манчестерским университетом Виктории и компаниями Ferranti и Plessey был создан компьютер Atlas с виртуальной памятью на основе подкачки страниц и конвейерным выполнением инструкций.