Файл: Развитие средств вычислительной техники.pdf

Введение

Электронные компьютеры и информационные сети являются наиболее популярными ресурсами в современном обществе. Входя в человеческую жизнь, компьютеры стали неотъемлемой частью нашей цивилизации. И хотя первый компьютер с автоматическим программным управлением был создан более полувека назад, на данный момент существует пять поколений компьютеров. Так что быстрое развитие, вероятно, не претерпело каких-либо технологий.

Действительно, если первый большой компьютер, Eniak (1946) занимал площадь около 90 м² и весил более 30 тонн, современный микропроцессор, способный размещать все электронное оборудование таких машин имеет площадь 1,5 см² при сохранении вычислительной мощности, которая покрывает общую вычислительная мощность всех компьютеров, доступных в мире в середине 60-х годов. Первый компьютер содержал около 18 000 электронных ламп, и теперь в тысячи раз большее число электронных компонентов с технологией 0,045 мкм позволяет размещать на человеческий волос в поперечном разрезе.

Согласно эмпирическому закону Гордона Мура в 1965 году, за тридцать лет компьютерного развития имел плотность транзисторов удваивается. Но с течением времени практика развития микроэлектронного устройства сделала свою коррекцию: сегодня считается, что удвоение количества транзисторов происходит каждые 18 месяцев.

И сегодня специалисты в различных областях науки и техники ищут альтернативные способы дальнейшего развития ПК.

Актуальность выбранной темы заключается в том, что информация является самой важной в нашей жизни. Ее техническая база - это средство обработки и передачи информации. Скорость ее развития удивительна, в истории человечества этот процесс, который так быстро развивается, не имеет аналога. Теперь уже очевидно, что XXI век - это век величайшего развития и прогресса в экономике, политике, науке, образовании, медицине, жизни, военном деле и т. д.

Входя в жизнь человеческого общества, компьютеры выполнили огромный круг задач - от простых алгебраических расчетов до организации обменных процессов, международных телеконференций, моделирования сложных физических, химических, технологических процессов, мультимедийных и виртуальных развлечений.

Объектом исследования данной работы являются средства вычислительной техники.

Предметом исследования является история развития средств вычислительной техники.

Целью выполнения данной работы является рассмотрение истории и перспектив развития средств вычислительной техники.

Для достижения поставленных целей необходимо выполнение следующих задач:

- рассмотрение истории развития средств вычислительной техники до 20 столетия;

- рассмотрение истории развития средств вычислительной техники в 20 столетии;

- рассмотрение истории развития средств вычислительной техники в 21 столетии;

- выяснить основные направления развития средств вычислительной техники в будущем;

Развитие средств вычислительной техники до 20 столетия

1.1 Гениальные идеи Леонардо да Винчи и Вильгельма Шиккарда

В дневниках блестящего итальянца Леонардо да Винчи (1452-1519) в наше время был найден ряд рисунков, который оказался эскизом вычислительной машины на зубчатых колесах, способной складывать 13-значные десятичные числа.

Рисунок 1 – Эскиз счетной машины Леонардо да Винчи

Специалисты известной компании IBM воссоздали по чертежам это устройство в металле и были убеждены в полном потенциале идеи ученого. Его компьютер можно считать вехой в истории цифровых вычислений. Это был первый цифровой сумматор. Компьютер, хотя и механический, очень примитивный (с ручным управлением). В те годы, далекие от нашего времени, блестящий ученый был, вероятно, единственным человеком на земле, которому пришла такая идея.^[1]

Рисунок 2 – Модель счетной машины Леонардо да Винчи

Тем не менее, потребность в этом была настолько мала (точнее, ее не было вовсе), что только через сотню лет после смерти Леонардо да Винчи нашелся другой европеец - немецкий ученый Вильгельм Шикард (1592-1636), который конечно, не читал дневники великого итальянца, и предложил свое решение этой проблемы. Причина, побудившая Шикарда сделать счетную машину для сложения и умножения шестизначных десятичных чисел - это его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Познакомившись с работой великого астронома, главным образом с математическими расчетами, Шикард загорелся идеей помочь ему выполнять эту тяжелую работу. В письме от его имени, отправленному в 1623 году, он сделал наброски счетной машины.

Шиккард изобрел и разработал модель шестиразрядного механического вычислительного устройства, выполняющего простые математические функции, такие как – складывать и вычитать числа. Недаром его называли «часами для счета». Машина Шиккарда содержала суммирующее и множительное устройства, а также механизм для записи промежуточных результатов.

Рисунок 3 – Копия эскизов счетной машины В. Шиккарда

К сожалению, история не сохранила сведения о том, была ли такая машина выполнена. Скорее всего, ранняя смерть от чумы, охватившей Европу, помешала ученому выполнить свой план.

Однако в 1960 году его сумматор был воссоздан в соответствии с чертежами и подтвердил свою работоспособность.

Рисунок 4 – Современный прообраз машины Шиккарда

Идеи Леонардо да Винчи и Вильгельма Шикарда стали известны только в наше время. Они были неизвестны современникам.

Вычислительная машина Паскаля и арифметический прибор Лейбница

В XVII веке ситуация меняется. В 1641-1642 гг. девятнадцатилетний Блез Паскаль (1623-1662), тогда очень мало людей знали французского ученого, создает операционную машину для расчетов - «Паскалину».^[2]

Рисунок 5 – Вычислительная машина Б.Паскаля

Сначала он сделал ее одной целью - помочь отцу в расчетах, выполняемых при сборе налогов. В течение следующих четырех лет он создал более совершенные образцы машины. Они были шести- и восьмибитными, построенными на основе зубчатых колес, могли выполнять сложение и вычитание десятичных чисел. Было создано около 50 моделей таких машин, Б. Паскаль получил королевскую привилегию для их производства, но практическое применение Паскаля не было получено, хотя о них много сказано и написано (в основном во Франции).

В 1673 году еще один великий европейский немецкий ученый Вильгельм Готфрид Лейбниц (1646-1716) создает счетную машину для сложения и умножения двенадцатизначных десятичных чисел. К множеству зубчатых колес он добавил ступенчатый вал, который позволял размножаться и делиться.

Рисунок 6 – Вычислительная машина Лейбница

«... Моя машина позволяет размножаться и делить огромные числа мгновенно, не прибегая к последовательным сложениям и вычитаниям», - писал один из своих друзей В. Лейбниц. О машине Лейбница известно в большинстве стран Европы.

В компьютерах, появившихся более двух столетий спустя, устройство, выполняющее арифметические операции (то же, что и «арифметическое устройство» Лейбница), называлось арифметическим. Позже, по мере добавления логических действий, оно стало называться арифметико-логическим (ALU). Оно стало основным устройством современных компьютеров.

Таким образом, два гения XVII века установили первые вехи в истории развития цифровых компьютеров. Однако заслуги В. Лейбница не ограничиваются созданием «арифметического устройства». Начиная со студенческих лет и на протяжении всей своей жизни, он изучал свойства системы двоичных чисел, которая позже стала основной в создании компьютеров. Он придавал ей некоторый мистический смысл и считал, что на ее основе можно создать универсальный язык для объяснения явлений мира и использования во всех науках, в том числе в философии. Образец медали, созданной В. Лейбницем в 1697 году, сохранен и объясняет связь между двоичными и десятичными системами.

Рисунок 7 – Медаль В. Лейбница

Ткацкий станок Жаккарда, технология вычислений Прони и аналитическая машина Бэббиджа

В 1799 году во Франции Джозеф Мари Жаккард (1752-1834) изобрел ткацкий станок, в котором перфокарты использовались для указания рисунка на ткани.

Рисунок 7 – Ткацкий станок Жаккарда с перфокартами

Необходимые исходные данные были в виде пробоев в соответствующих местах перфокарты. Таким образом, это было первое примитивное устройство для хранения информации.

Рисунок 8 – Перфокарты станка Жаккарда

В 1795 году немецкий математик Гаспар Прони (1755-1839), который был заказан французским правительством для выполнения работ, связанных с переходом к метрической системе мер, впервые в развитом мире разделил труд математиков на три компонента.

Первая группа из нескольких высококвалифицированных математиков определила (или разработала) методы численного расчета, необходимые для решения задач, позволяя сократить вычисления до арифметических операций - складывать, вычитать, умножать, делить. Задача последовательности арифметических операций и определения, исходных данных была выполнена второй группой математиков, несколько более расширенной по составу. Для выполнения завершенной «программы», состоящей из последовательности арифметических операций, не было необходимости привлекать высококвалифицированных специалистов. Эта самая трудоемкая часть работы была поручена третьей и самой многочисленной группе для расчетов.

Такое разделение труда позволяет ускорить получение результатов и повысить их надежность.

Но главный вывод заключается в том, что этот импульс был направлен на процесс разработки цифровых компьютеров с программным управлением последовательностью арифметических операций.

Последний шаг в эволюции цифровых вычислительных устройств (механического типа) сделал английский ученый Чарльз Бэббидж (1791-1871). Блестящий математик, прекрасно знающий методы вычислений, уже имел опыт создания технических средств для облегчения вычислительного процесса (разностная машина Бэббиджа для табуляции многочленов 1812-1822). Он сразу же увидел в вычислительном принципе, предложенном Г. Прони, возможность дальнейшего развития их работы.^[3]

Рисунок 9 – Рабочая разностная машина Ч. Бэббиджав музее компьютерной истории в Маунтейн Вью, Калифорния

Аналитическая машина (как называл ее Бэббидж), проект, разработанный в 1836-1848 годах, был механическим прототипом компьютеров, появившихся спустя столетие. Предполагалось, что у нее такие же базовые компоненты, как в компьютере, пять основных устройств: арифметическое, память, управление, ввод, вывод. Для арифметического устройства Ч. Бэббидж использовались зубчатые колеса, аналогичные используемым ранее. На них Ч. Бэббидж предполагал выполнить устройство из 1000 50-битных регистров (по 50 колес в каждом!). Программа вычислений была основана на перфокартах (перфорации), на них были записаны исходные данные и результаты расчетов. В числе операций, за исключением четырех арифметических операций, была операция условного переноса.

Автоматическое выполнение программ расчета обеспечивалось устройством управления. Время добавления двух 50-битных десятичных чисел было, согласно расчетам ученого, 1 секундой, умножение - 1 минута. Механический принцип построения и использования системы десятичных чисел, из-за которой трудно было создать простую базовую конструкцию, не позволил Ч. Бэббиджу полностью реализовать свое намерение, ему пришлось ограничиться скромными макетами. В противном случае машина была бы равна размеру локомотива, и для управления его устройствами потребовался бы паровой двигатель.

Вычислительные программы на машине Ч. Бэббиджа, составленные дочерью Байрона Адой Аугуста Лавлейс (1815-1852), на удивление похожи на программы, скомпилированные для первых компьютеров. Не случайно это замечательная женщина имеет статус первого программиста. Но, несмотря на все усилия Ч. Бэббидж и А. Лавлейс, машина так и не была построена.