Файл: История развития средств вычислительной техники (Технология перфокарты).pdf

По стопам Бэббиджа, хотя он и не знал о своей прежней работе, шел Перси Ладгейт – бухгалтер из Дублина, Ирландия. Он самостоятельно разработал программируемый механический компьютер, который описал в работе, опубликованной в 1909 году^[3].

1.4 1930-е–1960-е: настольные калькуляторы

К 1900-м годам более ранние механические калькуляторы, кассовые аппараты, счетные машины и т.д. были переработаны для использования электродвигателей с положением шестерни в качестве представления состояния переменной. Такие компании, как Friden, Marchant и Monroe, делали настольные механические калькуляторы с 1930-х годов, которые могли складывать, вычитать, умножать и делить.

Слово «компьютер» было названием работы, назначенной людям, которые использовали эти калькуляторы для выполнения математических вычислений.

Во время Манхэттенского проекта будущий нобелевский лауреат Ричард Фейнман был руководителем комнаты, полной «человеческих компьютеров», многие из которых были женщинами-математиками.Они понимали дифференциальные уравнения, которые решались для военных усилий. Даже знаменитый польский и американский математик Станислав Улам был призван на службу, чтобы перевести математику в вычислимые приближения для водородной бомбы после войны.

В 1948 году была введена Курта. Это был маленький портативный механический калькулятор размером с перечницу. Со временем, в течение 1950-х и 1960-х годов на рынке появилось множество различных марок механических калькуляторов.

Первым полностью электронным настольным калькулятором стала британский ANITA Mark VII, который использовал дисплей трубки Никси и 177 субминиатюрных трубок тиратрона. В июне 1963 года советский математик А. Фриден представил четырехфункциональный EC-130. Он имел полностью транзисторный дизайн, 13-разрядную емкость на 5-дюймовой ЭЛТ и представил обратную польскую нотацию на рынке калькуляторов по цене $2200. Модель EC-132 добавила квадратный корень и взаимные функции. В 1965 году Wang Laboratories выпустила LOCI-2, 10-значный транзисторный настольный калькулятор, который использовал газоразрядный индикатор и мог вычислять логарифмы.

С развитием интегральных схем и микропроцессоров, дорогие, большие калькуляторы были заменены меньшими электронными устройствами^[4].

1.5 Аналоговые компьютеры до 1940 года

До Второй мировой войны механические и электрические аналоговые компьютеры считались «современными», и многие думали, что они являются будущим вычислительной техники. Аналоговые компьютеры используют непрерывно изменяющиеся количества физических величин, таких как напряжения или токи, или скорость вращения валов, для представления обрабатываемых величин.

Гениальным примером такой машины был водный интегратор, построенный в 1936 году. В отличие от современных цифровых компьютеров, аналоговые компьютеры не очень гибки, и их необходимо перенастроить (т. е. перепрограммировать) вручную, чтобы переключить их с работы над одной проблемой на другую. Они имели преимущество перед ранними цифровыми компьютерами в том, что они могли использоваться для решения сложных проблем, в то время как самые ранние попытки цифровых компьютеров были весьма ограничены. Но поскольку цифровые компьютеры стали более быстрыми и использовали большую память (например, ОЗУ или внутреннее хранилище), они почти полностью вытеснили аналоговые компьютеры, и компьютерное программирование или кодирование возникло как другая человеческая профессия.

Так как компьютеры были редки в эту эру, решения часто жестко кодировались в бумажные формы, такие как графики и номограммы, которые могли тогда позволить аналоговые решения проблем, таких как распределение давлений и температур в системе отопления.

Некоторые из наиболее широко распространенных аналоговых компьютеров включали устройства для наведения оружия, такие как бомбовый прицел Нордена и артиллерийские компьютеры для линкоров. Некоторые из них оставались в использовании в течение десятилетий после Второй мировой войны.

Искусство аналоговых вычислений достигло своего зенита с дифференциальным анализатором, изобретенным Вэниваром Бушем в 1930 году. Менее дюжины таких устройств были когда-либо построены. Самое мощное было построено в школе электротехники Мура Университета Пенсильвании, где был построен ЭНИАК.

Цифровые электронные компьютеры, такие как ЭНИАК, положили конец большинству аналоговых вычислительных машин, но гибридные аналоговые компьютеры, управляемые цифровой электроникой, продолжали широко использоваться в 1950-х и 1960-х годах, а затем и в некоторых специализированных приложениях^[5].

Глава II. Эра цифровых машин

2.1 Ранние цифровые компьютеры

Эра современных вычислений началась с бурного развития до и во время Второй мировой войны, когда электронные схемы, реле, конденсаторы и электронные лампы заменили механические эквиваленты, а цифровые вычисления заменили аналоговые вычисления. Компьютеры, спроектированные и построенные тогда, иногда назывались компьютерами первого поколения. Компьютеры первого поколения, такие как компьютер Атанасова-Берри, Z3, Колосс и ЭНИАК, были построены вручную, используя схемы, содержащие реле или клапаны (вакуумные трубки), и часто использовали перфокарты или перфорированную бумажную ленту для ввода и в качестве основного (энергонезависимого) носителя информации.

В более поздних системах временное или рабочее хранение обеспечивалось акустическими линиями задержки (которые используют время распространения звука через среду, такую как жидкая ртуть или провод для кратковременного хранения данных) или трубками Вильямса (которые используют способность телевизионного кинескопа хранить и извлекать данные). К 1954 году память на магнитных сердечниках быстро вытеснила большинство других форм временного хранения и доминировала в поле до середины 1970-х годов.

В эту эпоху было выпущено несколько разных машин с постоянно развивающимися возможностями. В начале этого периода не существовало ничего даже отдаленно напоминающего современный компьютер, за исключением давно утраченных планов Чарльза Бэббиджа и математических размышлений английского математика Алана Тьюринга и других. В конце эры были построены такие устройства, как EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), и они повсеместно признаны цифровыми компьютерами. Определение одной точки в ряду как «первого компьютера» упускает много тонкостей.

Статья Алана Тьюринга 1936 года оказалась чрезвычайно влиятельной в вычислительной технике и информатике двумя способами. Его главной целью было элегантное доказательство того, что существуют проблемы (а именно проблема остановки), которые не могут быть решены механическим процессом (компьютером). При этом, однако, Тьюринг дал определение того, что такое универсальный компьютер: конструкция, называемая машиной Тьюринга, чисто теоретическое устройство, изобретенное для формализации понятия выполнения алгоритма, заменив более громоздкий универсальный язык Курта Геделя, основанный на арифметике. Современные компьютеры являются «полными по Тьюрингу» (т.е. эквивалентными возможности выполнения алгоритма универсальной машине Тьюринга), за исключением их конечной памяти. Этот ограниченный тип полноты Тьюринга иногда рассматривается как пороговая способность, отделяющая компьютеры общего назначения от их специализированных предшественников.

Однако, как будет видно, теоретическая полнота Тьюринга далека от практического универсального вычислительного устройства. Чтобы быть практичным компьютером общего назначения, должен быть какой-то удобный способ ввода новых программ в компьютер, таких как перфолента. Для полной универсальности архитектура фон Неймана использует одну и ту же память как для хранения программ, так и данных. Практически все современные компьютеры используют эту архитектуру (или ее вариант). Наконец, хотя теоретически возможно реализовать полный компьютер полностью механически (как показал дизайн Бэббиджа), электроника сделала возможной скорость, а затем миниатюризацию, которая характеризует современные компьютеры.

В эпоху Второй мировой войны существовало три параллельных потока компьютерного развития, и два из них либо игнорировались, либо намеренно держались в секрете. Первой была немецкая работа Конрада Цузе. Второй была секретная разработка компьютера «Коллосс» в Великобритании. Ни один из них не имел большого влияния на различные вычислительные проекты в Соединенных Штатах. После войны британские и американские исследователи в области вычислительной техники объединили усилия для разработки наиболее важных шагов на пути к созданию практического вычислительного устройства^[6].

2.2 Z-серия Конрада Цузе

Работая в изоляции в Германии, Конрад Цузе начал строительство в 1936 году своих первых калькуляторов Z-серии с памятью и (первоначально ограниченной) программируемостью. Чисто механический, но уже бинарный Z1 Цузе, законченный в 1938 году, никогда не работал надежно из-за проблем с точностью деталей.

Следующая машина Цузе, Z3, была закончена в 1941 году. Он был основан на телефонных реле и работал удовлетворительно. Таким образом, Z3 стал первым функциональным компьютером с программным управлением. Во многом он был очень похож на современные машины, с многочисленными достижениями, такие как числа с плавающей запятой. Замена труднореализуемой десятичной системы (использованной в более раннем проекте Чарльза Бэббиджа) более простой двоичной системой означала, что машины Цузе были легче построить и потенциально более надежны, учитывая технологии, доступные в то время. Это иногда рассматривается как главная причина, почему Цузе удалось там, где Бэббидж потерпел неудачу.

Программы подавались в Z3 на перфорированных пленках. Условные скачки отсутствовали, но с 1990-х годов было теоретически доказано, что Z3 по-прежнему является универсальным компьютером (игнорируя ограничения на размер физического хранилища). В двух патентных заявках 1936 года Конрад Цузе также предполагал, что машинные инструкции могут храниться в том же хранилище, что и данные – ключевая идея того, что стало известно как архитектура фон Неймана и было впервые реализовано в более позднем британском дизайне EDSAC (1949). Цузе также утверждал, что разработал первый язык программирования более высокого уровня в 1945 году, хотя он никогда не был официально опубликован до 1971 года и был впервые реализован в 2000 году свободным университетом Берлина – через пять лет после смерти Цузе.

Цузе потерпел неудачу во время Второй мировой войны, когда некоторые из его машин были уничтожены в ходе союзнических бомбардировок. По-видимому, его работа оставалась в значительной степени неизвестной инженерам в Великобритании и США намного позже, хотя, по крайней мере, IBM знала об этом, поскольку она финансировала его послевоенную стартап-компанию в 1946 году в обмен на опцион на патенты Цизе^[7].

2.3 Американские разработки

В 1937 году американский математик Клод Шеннон защитил магистерскую диссертацию в Массачусетском технологическом институте, в которой впервые в истории была реализована булева алгебра с использованием электронных реле и переключателей. Названный символическим анализом реле и коммутационных схем, тезис Шеннона по существу основал практическое проектирование цифровых схем^[8].

В ноябре 1937 года Джордж Стибиц, тогда работавший в «Лаборатории Белла», завершил релейный компьютер, который он назвал «моделью K» и вычислялся с использованием двоичного сложения. В конце 1938 года Лаборатория провела полную исследовательскую программу со Стибицем у руля. Их калькулятор комплексных чисел, завершенный 8 января 1940 года, смог вычислить комплексные числа. В демонстрации на конференции Американского математического общества в Дартмутском колледже 11 сентября 1940 года Стибиц смог отправить удаленные команды калькулятора комплексных чисел по телефонным линиям с помощью телетайпа. Это была первая вычислительная машина, когда-либо используемая удаленно, в данном случае по телефонной линии. Свидетелями демонстрации были Джон Фон Нейман, Джон Мокли и Норберт Винер, которые писали об этом в своих мемуарах.

В 1938 году Джон Винсент Атанасов и Клиффорд Э. Берри из Университета штата Айова разработали компьютер Атанасова-Берри (ABC), специальный электронный компьютер для решения систем линейных уравнений. (Первоначальная цель состояла в том, чтобы решить 29 одновременных уравнений 29 неизвестных каждый, но из-за ошибок в механизме перфоратора карты законченная машина могла решить только несколько уравнений.) В конструкции использовано более 300 вакуумных ламп для высокоскоростных и применяемых конденсаторов, закрепленных в механически вращающемся барабане для памяти. Хотя машина ABC не была программируемой, это был первый современный компьютер в нескольких других отношениях, включая первое использование двоичной математики и электронных схем. Соавтор ЭНИАК Джон Мокли посетил ABC, когда он еще строился в июне 1941 года, и его влияние на дизайн более поздней машины ЭНИАК является предметом споров среди компьютерных историков. ABC была в значительной степени забыта, пока она не стала в центре внимания иска Honeywell v. Сперри Рэнд, решение которого аннулировало патент ЭНИАК (и несколько других), как, среди многих причин, ожидалось работой Айовы.